DE102020208161A1

DE102020208161A1 - Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einer verbesserten Kurzschlussdetektion der Leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE102020208161A1
Application number: DE102020208161.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hain
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend mehrere Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312); eine Detektionseinheit (18, 118, 218, 318) zum Detektieren eines Kurzschlusses eines der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312); eine Reaktionseinheit (20, 120, 220, 320) zum Erzeugen eines Reaktionssignals; einen Reaktionstransistor (22, 122, 222, 322), der zwischen einem Gate-Anschluss (115, 215, 315) und einem Source-Anschluss (117, 217, 317) des Leistungsschalters (112, 212, 312) geschaltet ist; wobei die Reaktionseinheit (20, 120, 220, 320) dazu ausgebildet ist, den Reaktionstransistor (22, 122, 222, 322) mit dem Reaktionssignal anzusteuern und in einen Leitungszustand zu versetzen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs. Weitere Einsatzfelder sind DC/DC-Wandler und AC/DC-Gleichrichter (Converter) und Transformatoren.
Aus den Leistungshalbleitern werden in der Regel Leistungsschalter gebildet, die in einer Brückenschaltung verwendet werden. Ein häufiges Beispiel ist die sogenannte Halbbrücke, die eine Highside-Komponente und eine Lowside-Komponente umfasst. Die Highside- und Lowside-Komponenten umfassen jeweils einen oder mehreren Leistungsschalter, nämlich Highside-Leistungsschalter bzw. Lowside-Leistungsschalter. Durch gezieltes Schalten der Highside- und Lowside-Leistungsschalter kann die Richtung des am Ausgang des Leistungsmoduls erzeugten Stroms (Ausgangsstroms) mit einem sehr kurzen Takt zwischen einer positiven Stromrichtung und einer negativen Stromrichtung verändert werden. Dies ermöglicht eine sogenannte Pulsbreitenmodulation, um im Falle eines DC/AC-Wechselrichters einen Wechselstrom basierend auf einem eingangsseitig des Leistungsmoduls eingespeisten Gleichstroms zu erzeugen.
Bei all diesen Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Schaltzeit der verwendeten Leistungsschalter hinreichend klein ist. Dank der Fortschritte auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter lassen sich kurze Schaltzeiten mit sogenannten Wide Bandgap Semiconductors (Halbleitern mit großen Bandlücken) wie SiC und GaN realisieren.
Das gezielte Schalten der Leistungsschalter wird durch eine Ansteuerelektronik vorgenommen und implementiert. Die Ansteuerelektronik umfasst normalerweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Elektrofahrzeugantriebs und/oder des Leistungsmoduls, und eine mit der Controllerkomponente in Kommunikation befindliche Treiberkomponente zur Ansteuerung der Leistungsschalter basierend auf dem Steuersignal.
Für den Betrieb des Leistungsmoduls ist von besonderer Bedeutung, dass ein Kurzschluss der dort befindlichen Leistungsschalter möglichst ausgeschlossen ist. Dies erfordert eine Kurzschlussdetektion der Leistungsschalter sowie das Ergreifen einer Gegenmaßnahme, um dem detektierten Kurzschluss entgegenzuwirken.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur Kurzschlussdetektion und -beseitigung bekannt. Diese Maßnahmen sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Reaktionszeiten, nämlich die Zeitdauer zwischen der Detektion des Kurzschlusses und der Gegenmaßnahme zur Beseitigung des detektierten Kurzschlusses, ungünstigerweise lang sind. Der Leistungsschalter befindet sich nach Auftreten eines Kurzschlussfalls während der langen Reaktionszeit weiterhin in einem Kurzschluss. Die dabei entstehenden hohen Kurzschlussströme können zur Zerstörung der Leistungsschalter und zur Beeinträchtigung des Leistungsmoduls führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungsmodul zu ermöglichen, bei dem die Kurzschlussdetektion und -beseitigung zuverlässiger durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungsmodul und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
Das Leistungsmodul weist eine Mehrzahl von Leistungsschaltern auf. Diese halbleiterbasierten Leistungsschalter dienen dazu, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Leistungsschalter zu erzeugen. Die Ansteuerung der Leistungsschalter erfolgt mittels einer Ansteuerelektronik, die eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der Leistungsschalter basierend auf dem Steuersignal. Die Ansteuerung kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
Die mehreren Leistungsschalter bilden vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung, die eine oder mehrere Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) umfassen kann. Jede Brückenschaltung bzw. Halbbrücke umfasst einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Highside-Schalter (HS-Schalter), und einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Lowside-Schalter (LS-Schalter). Der/die HS-Schalter ist/sind zu dem/den LS-Schalter/LS-Schaltern reihengeschaltet. Im Fall eines Wechselrichters ist jede Halbbrücke einer Stromphase des mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Die HS-Schalter und LS-Schalter umfassen jeweils einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauteil zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), kann alternativ oder zusätzlich Silizium umfassen.
Zwecks Kühlung der Leistungsschalter und weiterer elektronischer Bauteile im Leistungsmodul ist möglich, einen Kühlkörper vorzusehen, mit dem die Leistungsschalter in thermischer Kopplung stehen.
Das Leistungsmodul umfasst außerdem eine Detektionseinheit zum Detektieren eines Kurzschlusses eines der Leistungsschalter. Die Detektionseinheit kann in der Ansteuerelektronik, vorzugsweise in der Treiberkomponente der Ansteuerelektronik, schaltungsmäßig integriert sein. Die Detektionseinheit kann durch Vermessen eines Zustandsparameters des Leistungsschalters den Kurzschluss detektieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektionseinheit den Kurzschluss dadurch detektieren, dass die Detektionseinheit diesen als Ergebnis einer Messung des Zustandsparameters erhalten, wobei die Messung durch eine andere Entität durchgeführt wurde. Insbesondere kann die Detektionseinheit über eine drahtlose Kommunikation das Messergebnis erhalten.
Das Leistungsmodul umfasst ferner eine mit der Detektionseinheit in Kommunikation befindliche Reaktionseinheit zum Erzeugen eines Reaktionssignals. Das Leitungsmodul umfasst außerdem einen Reaktionstransistor, der zwischen einem Gate-Anschluss und einem Source-Anschluss des Leistungsschalters geschaltet ist. Die Reaktionseinheit ist dazu ausgebildet, den Reaktionstransistor mit dem Reaktionssignal anzusteuern und in einen Leitungszustand zu versetzen.
Wenn die Detektionseinheit einen Kurzschluss des Leistungsschalters detektiert, wird die Reaktionseinheit über den Kurzschluss informiert. Die Reaktionseinheit löst dann das Steuersignal aus und sendet dieses an den Reaktionstransistor. Vorzugsweise handelt sich beim Steuersignal um ein Gate-Signal zum Anlegen einer Gate-Spannung des Reaktionstransistors. Dabei wird eine derartige Gate-Spannung am Reaktionstransistor angelegt, dass dieser von einem Sperrzustand, in dem kein Strom durch den Reaktionstransistor fließt, zu einem Leitungszustand umgeschaltet, in dem ein Strom durch den Reaktionstransistor fließt. Somit werden der Gate-Anschluss und der Source-Anschluss des Leistungsschalters über den Reaktionstransistor kurzgeschlossen. Die Gate-Spannung, die am Gate-Anschluss des Leistungsschalters anliegt und für den durch die Detektionseinheit detektierten Kurzschluss des Leistungsschalters sorgt, liegt nun am Source-Anschluss des Leistungsschalters an, sodass der Leistungsschalter in einer definierten Weise abschaltet.
Eine solche Abschaltung des Leistungsschalters bedeutet eine Reaktionszeit, die im Wesentlichen nur von der Schaltzeit des Reaktionstransistors abhängt und daher im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen deutlich kürzer ist. Die Gefahr, dass sich der Leistungsschalter nach Detektion des Kurzschlusses weiterhin im kurzgeschlossenen Zustand befindet, ist daher deutlich reduziert. Damit einhergehend ist Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung des Leistungsmoduls aufgrund hoher Kurzschlussströme verringert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines Schaltungskreises des Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung eines Schaltungskreises des Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
4 eine schematische Darstellung eines Schaltungskreises des Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform.

In der Figur beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 10 gemäß einer Ausführungsform. Das Leistungsmodul 10 dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul 10 wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul 10 zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
Das Leistungsmodul 10 weist eine Mehrzahl von Leistungsschaltern 12, 14, 16 auf. Diese halbleiterbasierten Leistungsschalter 12, 14, 16 dienen dazu, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Leistungsschalter 12, 14, 16 zu erzeugen. Die Ansteuerung der Leistungsschalter erfolgt vorzugsweise mittels einer im Leistungsmodul 10 integrierten Ansteuerelektronik (in 1 nicht gezeigt), die eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der Leistungsschalter basierend auf dem Steuersignal. Die Ansteuerung kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
Die mehreren Leistungsschalter 12, 14, 16 bilden vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung, die eine oder mehrere Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) umfassen kann. Jede Brückenschaltung bzw. Halbbrücke umfasst einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Highside-Schalter (HS-Schalter), und einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Lowside-Schalter (LS-Schalter). Der/die HS-Schalter ist/sind zu dem/den LS-Schalter/LS-Schaltern reihengeschaltet. Im Fall eines Wechselrichters ist jede Halbbrücke einer Stromphase des mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Die HS-Schalter und LS-Schalter umfassen jeweils einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauteil zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), kann alternativ oder zusätzlich Silizium umfassen.
Zwecks Kühlung der Leistungsschalter 12, 14, 16 und weiterer elektronischer Bauteile im Leistungsmodul 10 ist möglich, einen Kühlkörper vorzusehen, mit dem die Leistungsschalter 12, 14, 16 in thermischer Kopplung stehen.
Das Leistungsmodul 10 umfasst außerdem eine Detektionseinheit 18 zum Detektieren eines Kurzschlusses eines der Leistungsschalter 12, 14, 16. Die Detektionseinheit 18 kann in der Ansteuerelektronik, vorzugsweise in der Treiberkomponente der Ansteuerelektronik, schaltungsmäßig integriert sein. Die Detektionseinheit 18 kann durch Vermessen eines Zustandsparameters des Leistungsschalters 12, 14, 16 den Kurzschluss detektieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektionseinheit 18 den Kurzschluss dadurch detektieren, dass die Detektionseinheit 18 diesen als Ergebnis einer Messung des Zustandsparameters erhalten, wobei die Messung durch eine andere, beispielsweise externe, Entität durchgeführt wurde. Insbesondere kann die Detektionseinheit 18 über eine drahtlose Kommunikation das Messergebnis erhalten.
Das Leistungsmodul 10 umfasst ferner eine mit der Detektionseinheit 18 in Kommunikation befindliche Reaktionseinheit 20 zum Erzeugen eines Reaktionssignals. Das Leistungsmodul 10 umfasst außerdem einen Reaktionstransistor 22, der zwischen einem Gate-Anschluss und einem Source-Anschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 geschaltet ist (in 1 nicht gezeigt). Die Reaktionseinheit 20 ist dazu ausgebildet, den Reaktionstransistor 22 mit dem Reaktionssignal anzusteuern und ihn dadurch in einen Leitungszustand zu versetzen. In 1 ist der Reaktionstransistor 22 beispielhaft in der Reaktionseinheit 20 integriert gezeigt. Dies ist jedoch nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung. Der Reaktionstransistor 22 kann außerhalb der Reaktionseinheit 20 angeordnet sein und mit dieser in Zusammenwirkung verbunden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltungskreises des Leistungsmoduls 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Leistungsmodul 100 umfasst, ähnlich wie bei der in 1 gezeigten allgemeinen Ausführungsform, einen Leistungsschalter 112, der hier als Transistor ausgebildet ist und einen Drain-Anschluss 113, einen Gate-Anschluss 115 und einen Source-Anschluss 117 aufweist. Das Leistungsmodul 100 umfasst außerdem eine Detektionseinheit 118, eine Reaktionseinheit 120 und einen Reaktionstransistor 122, der einen Reaktionsgate-Anschluss 123 aufweist. Der Reaktionstransistor 122 ist zwischen dem Gate-Anschluss 115 und dem Source-Anschluss 117 des durch die Detektionseinheit 118 erfassten Leistungsschalters 112 angeordnet. Zusätzlich ist eine Diode 124 zwischen dem Gate-Anschluss 115 und dem Source-Anschluss 117 des Leistungsschalters 112 zum Reaktionstransistor 122 reihengeschaltet. Die Diode 124 dient dazu, eine Hochspannung des Leistungsschalters 112 von der Detektionseinheit abzukoppeln.
Wenn die Detektionseinheit 118 einen Kurzschluss des Leistungsschalters 112 detektiert, wird die Reaktionseinheit 120 über den Kurzschluss informiert. Die Reaktionseinheit 120 löst dann das Steuersignal aus und sendet dieses an den Reaktionstransistor 122. Vorzugsweise handelt es sich beim Steuersignal um ein Gate-Signal zum Anlegen einer Gate-Spannung des Reaktionstransistors. Dabei wird eine derartige Gate-Spannung am Reaktionsgate-Anschluss 123 des Reaktionstransistors 122 angelegt, dass dieser von einem Sperrzustand, in dem kein Strom durch den Reaktionstransistor 122 fließt, zu einem Leitungszustand umgeschaltet, in dem ein Strom durch den Reaktionstransistor 122 fließt. Somit werden der Gate-Anschluss 115 und der Source-Anschluss 117 des Leistungsschalters 112 über den Reaktionstransistor 122 kurzgeschlossen. Die Gate-Spannung, die beim Detektieren des Kurzschlusses des Leistungsschalters 112 am Gate-Anschluss 115 des Leistungsschalters 112 anliegt, liegt nun am Source-Anschluss 117 des Leistungsschalters 112 an, sodass der Leistungsschalter 112 in einer definierten Weise abschaltet.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Leistungsmodul 200 ist ähnlich zur in 2 gezeigten Ausführungsform gebildet und weist einen Leistungsschalter 212, eine Detektionseinheit 218, eine Reaktionseinheit 220, einen Reaktionstransistor 222 und eine Diode 224 auf. Der Leistungsschalter 212 ist als Transistor ausgebildet und weist einen Drain-Anschluss, 213, einen Gate-Anschluss 215 und einen Source-Anschluss 217 auf. Der Reaktionstransistor 222 weist ebenfalls einen Reaktionsgate-Anschluss 223 auf. Zusätzlich zu den gemäß der Ausführung aus 2 bereits enthaltenen Bauteilen umfasst das Leistungsmodul 200 einen Kondensator 226, der zwischen dem Gate-Anschluss 215 und dem Source-Anschluss 217 des Leistungsschalters 212 zum Reaktionstransistor 222 reihengeschaltet ist. Ferner ist eine Spannungsquelle 228 zum Anlegen einer Modulationsspannung am Kondensator 226 vorgesehen. Ein elektrischer Widerstand 230 ist zwischen der Spannungsquelle 228 und dem Kondensator 226 geschaltet und dient zur Abkopplung der Spannungsquelle 228.
Die Modulationsspannung ist vorzugsweise einstellbar. Weiter vorzugsweise ist die Modulationsspannung abhängig vom detektierten Kurzschluss des Leistungsschalteers 212 einstellbar. Wenn die Detektionseinheit 218 einen ersten Kurzschluss detektiert, bei dem sich der Leistungsschalter 212 in einem Sperrzustand befindet (d.h., kein Strom fließt durch den Leistungsschalter 212), sendet die Reaktionseinheit 220 ein erstes Steuersignal an den Reaktionsgate-Anschluss 223 des Reaktionstransistors 222 und steuert diesen an, um ihn in einen Leitungszustand zu versetzen. Gleichzeitig stellt die Spannungsquelle 228 eine erste Modulationsspannung ein. Wenn die Detektionseinheit 218 einen zweiten Kurzschluss detektiert, bei dem sich der Leistungsschalter 212 in einem Leitungszustand befindet (d.h., ein Strom fließt durch den Leistungsschalter 212), sendet die Reaktionseinheit 220 ein zweites Steuersignal an den Reaktionsgate-Anschluss 223 des Reaktionstransistors 222 und steuert diesen an, um ihn in einen Leitungszustand zu versetzen. Gleichzeitig stellt die Spannungsquelle 228 eine zweite Modulationsspannung ein, wobei die zweite Modulationsspannung verschieden von der ersten Modulationsspannung ist. Die zweite Modulationsspannung trägt vorzugsweise ein entgegengesetztes Vorzeichen zur zwischen dem Gate-Anschluss 215 und dem Source-Anschluss 217 des Leistungsschalters 212 beim Detektieren des zweiten Kurzschlusses anliegenden Spannung. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Modulationsspannung niedriger als die erste Modulationsspannung.
Der Kondensator 226 ist auf eine definierte Spannung, nämlich die eingestellte Modulationsspannung, aufgeladen. Ist die Spannung am Gate-Anschluss 215 beim Detektieren des Kurzschlusses positiv und die Modulationsspannung negativ, wird der Gate-Anschluss 215 des Leistungsschalters 212 im Vergleich zum Fall ohne die Modulationsspannung schneller entladen. Hierdurch kann der Leistungsschalter 212 im Fall eines zweiten Kurzschlusses schneller abgeschaltet werden. Die Reaktionszeit, die das System benötigt, um den Kurzschluss des Leistungsschalters 212 zu beseitigen, ist daher reduziert. Auf diese Weise kann die Modulationsspannung der Spannungsquelle 228 sowie die Kapazität des Kondensators 226 so eingestellt werden, dass sich eine optimale Abschaltung des Leistungsschalters 212 zur Beseitigung des Kurzschlusses ergibt.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Leistungsmodul 300 ist ähnlich zur in 2 gezeigten Ausführungsform gebildet und weist ebenfalls einen Leistungsschalter 312, eine Detektionseinheit 318, eine Reaktionseinheit 320, einen ersten Reaktionstransistor 322 und eine Diode 324 auf. Der Leistungsschalter 312 ist als Transistor ausgebildet und weist einen Drain-Anschluss, 313, einen Gate-Anschluss 315 und einen Source-Anschluss 317 auf. Der erste Reaktionstransistor 322 weist ebenfalls einen Reaktionsgate-Anschluss 323 auf. Zusätzlich zu den gemäß der Ausführung aus 2 bereits enthaltenen Bauteilen umfasst das Leistungsmodul 300 einen zweiten Reaktionstransistor 332 mit einem zweiten Reaktionsgate-Anschluss 333, wobei der zweite Reaktionstransistor 332 zwischen dem Gate-Anschluss 315 und dem Source-Anschluss 317 des Leistungsschalters 312 zum ersten Reaktionstransistor 322 parallelgeschaltet ist. Zusätzlich ist, analog zur in 3 gezeigten Ausführungsform ist eine Spannungsquelle 328 zum Anlegen einer Modulationsspannung an einem Kondensator 326 vorgesehen, der zwischen dem Gate-Anschluss 315 und dem Source-Anschluss 317 des Leistungsschalters 312 zum zweiten Reaktionstransistor 332 reihengeschaltet ist. Ein elektrischer Widerstand 330 ist zwischen der Spannungsquelle 328 und dem Kondensator 326 geschaltet und dient zur Abkopplung der Spannungsquelle 328. Ferner ist ein elektrischer Widerstand 334 zwischen dem Leistungsschalter 312 und der Detektionseinheit 318 angeordnet.
Wenn die Detektionseinheit 318 einen ersten Kurzschluss detektiert, bei dem sich der Leistungsschalter 312 in einem Sperrzustand befindet (d.h., kein Strom fließt durch den Leistungsschalter 312), sendet die Reaktionseinheit 320 ein erstes Steuersignal an den Reaktionsgate-Anschluss 323 des ersten Reaktionstransistors 322 und steuert diesen an, um ihn in einen Leitungszustand zu versetzen. Wenn die Detektionseinheit 318 einen zweiten Kurzschluss detektiert, bei dem sich der Leistungsschalter 312 in einem Leitungszustand befindet (d.h., ein Strom fließt durch den Leistungsschalter 312), sendet die Reaktionseinheit 320 ein zweites Steuersignal an den Reaktionsgate-Anschluss 333 des zweiten Reaktionstransistors 332 und steuert diesen an, um ihn in einen Leitungszustand zu versetzen. Gleichzeitig stellt die Spannungsquelle 328 eine Modulationsspannung ein. Die Modulationsspannung trägt vorzugsweise ein entgegengesetztes Vorzeichen zur zwischen dem Gate-Anschluss 315 und dem Source-Anschluss 317 des Leistungsschalters 312 beim Detektieren des zweiten Kurzschlusses anliegenden Spannung.
Wird der zweite Reaktionstransistor 332 eingeschaltet, so wird die Kapazität des Gate-Anschlusses 315 des Leistungsschalters 312 mit der Kapazität 326 verbunden. Da beide Kapazitäten auf unterschiedliche Spannung vorgeladen sind, kommt es zu einem Ausgleichstrom, der die Kapazität des Gate-Anschlusses 315 des Leistungsschalters 312 entlädt und gleichzeitig die Kapazität 326 lädt. Durch den Abkoppledwiderstand 330 spielt der Nachladestrom der Spannungsquelle 328 keine Rolle und die Kapazität 326 kann im Spannungsniveau ansteigen. Der Kondensator 326 ist auf eine definierte Spannung aufgeladen. Ist die Spannung am Gate-Anschluss 315 beim Detektieren des Kurzschlusses positiv und die Modulationsspannung negativ, wird der Gate-Anschluss 315 des Leistungsschalters 312 im Vergleich zum Fall ohne die Modulationsspannung schneller entladen. Hierdurch kann der Leistungsschalter 312 im Fall eines zweiten Kurzschlusses schneller abgeschaltet werden. Die Reaktionszeit, die das System benötigt, um den Kurzschluss des Leistungsschalters 312 zu beseitigen, ist daher reduziert.
Die vorgestellte externe Kurzschlussabschaltung ist demnach in der Lage, eine auf den Kurzschlussfall angepasste Abschaltstrategie zu realisieren, wodurch die Zeit, die der Leistungsschalter 312 den Kurzschlussstrom aushalten muss, minimiert werden kann. Durch die signifikante Reduktion der Kurzschlusszeit kann so die bisherige Limitierung der Leistungsfähigkeit moderner Leistungshalbleiter durch eine notwendige hohe Kurzschlussaushaltezeit gelöst werden.
Bezugszeichenliste

10, 100, 200, 300: Leistungsmodul
12, 14, 16, 112, 212, 312: Leistungsschalter
113, 213, 313: Drain-Anschluss
115, 215, 315: Gate-Anschluss
117, 217, 317: Source-Anschluss
18, 118, 218, 318: Detektionseinheit
20, 120, 220, 320: Reaktionseinheit
22, 122, 222, 322: (erster) Reaktionstransistor
123, 223, 323: Reaktionsgate-Anschluss
124, 224, 324: Diode
226, 326: Kondensator
228,328: Spannungsquelle
230, 330, 334: Widerstand
332: zweiter Reaktionstransistor
333: Reaktionsgate-Anschluss

Claims

Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend: - mehrere Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312); - eine Detektionseinheit (18, 118, 218, 318) zum Detektieren eines Kurzschlusses eines der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312); - eine Reaktionseinheit (20, 120, 220, 320) zum Erzeugen eines Reaktionssignals; - einen Reaktionstransistor (22, 122, 222, 322), der zwischen einem Gate-Anschluss (115, 215, 315) und einem Source-Anschluss (117, 217, 317) des Leistungsschalters (112, 212, 312) geschaltet ist; wobei die Reaktionseinheit (20, 120, 220, 320) dazu ausgebildet ist, den Reaktionstransistor (22, 122, 222, 322) mit dem Reaktionssignal anzusteuern und in einen Leitungszustand zu versetzen.
Leistungsmodul (200, 300) nach Anspruch 1, wobei eine Spannungsquelle (228, 328) zum Anlegen einer Modulationsspannung vorgesehen ist, um eine Spannung zwischen dem Gate-Anschluss (215, 315) und dem Source-Anschluss (217, 317) des Leistungsschalters (212, 312) zu modulieren, wobei die Modulationsspannung vorzugsweise einstellbar ist.
Leistungsmodul (200, 300) nach Anspruch 2, wobei die Spannungsquelle (228, 328) zum Anlegen der Modulationsspannung an einem Kondensator (226, 326) angeordnet ist, wobei der Kondensator (226, 326) zwischen dem Gate-Anschluss (215, 315) und dem Source-Anschluss (217, 317) des Leistungsschalters (212, 312) zum Reaktionstransistor (222, 332) reihengeschaltet ist.
Leistungsmodul (200, 300) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Spannungsquelle (226, 326) dazu ausgelegt ist, eine erste Modulationsspannung anzulegen, wenn die Detektionseinheit (220, 320) einen ersten Kurzschluss detektiert, bei dem sich der Leistungsschalter (212, 312) in einem Sperrzustand befindet, wobei die Spannungsquelle (228, 328) dazu ausgelegt ist, eine zweite Modulationsspannung anzulegen, wenn die Detektionseinheit (220, 320) einen zweiten Kurzschluss detektiert, bei dem sich der Leistungsschalter (212, 312) in einem Leitungszustand befindet, wobei die zweite Modulationsspannung verschieden von der ersten Modulationsspannung ist.
Leistungsmodul (200, 300) nach Anspruch 4, wobei die zweite Modulationsspannung ein entgegengesetztes Vorzeichen zur zwischen dem Gate-Anschluss (215, 315) und dem Source-Anschluss (217, 317) des Leistungsschalters (212, 312) beim Detektieren des zweiten Kurzschlusses anliegenden Spannung aufweist.
Leistungsmodul (200, 300) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die zweite Modulationsspannung niedriger als die erste Modulationsspannung ist.
Leistungsmodul (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Reaktionseinheit (300) einen ersten Reaktionstransistor (322) und einen zweiten Reaktionstransistor (332) umfasst, der zum ersten Reaktionstransistor (322) parallel zwischen dem Gate-Anschluss (315) und dem Source-Anschluss (317) des Leistungsschalters (312) geschaltet ist.
Leistungsmodul (300) nach Anspruch 7, wobei eine Spannungsquelle (328) zum Anlegen einer Modulationsspannung an einem Kondensator (328) angeordnet ist, wobei der Kondensator (328) zwischen dem Gate-Anschluss (315) und dem Source-Anschluss (317) des Leistungsschalters (312) zum zweiten Reaktionstransistor (332) reihengeschaltet ist.
Leistungsmodul (300) nach Anspruch 8, wobei die Modulationsspannung ein entgegengesetztes Vorzeichen zur zwischen dem Gate-Anschluss (315) und dem Source-Anschluss (317) des Leistungsschalters (312) beim Detektieren des Kurzschlusses anliegenden Spannung aufweist.
Leistungsmodul (300) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Reaktionseinheit (320) dazu ausgelegt ist, den ersten Reaktionstransistor (322) mit einem ersten Reaktionssignal anzusteuern, wenn die Detektionseinheit (318) einen ersten Kurzschluss detektiert, bei dem sich der Leistungsschalter (312) in einem Sperrzustand befindet, wobei die Reaktionseinheit (320) dazu ausgelegt ist, den zweiten Reaktionstransistor (332) mit einem zweiten Reaktionssignal anzusteuern, wenn die Detektionseinheit (318) einen zweiten Kurzschluss detektiert, bei dem sich der Leistungsschalter (312) in einem Leitungszustand befindet.
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Detektionseinheit (18, 118, 218, 318) und/oder die Reaktionseinheit (20, 120, 220, 320) in einer Ansteuerelektronik des Leistungsmoduls (10, 100, 200, 300) schaltungsmäßig integriert ist.
Verfahren zum Bedienen eines Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, das Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) umfassend mehrere Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312), eine Detektionseinheit (18, 118, 218, 318), eine Reaktionseinheit (20, 120, 220, 320) und einen Reaktionstransistor (22, 122, 222, 322), wobei der Reaktionstransistor (22, 122, 222, 322) zwischen einem Gate-Anschluss (115, 215, 315) und einem Source-Anschluss (117, 217, 317) des Leistungsschalters (112, 212, 312) geschaltet ist, das Verfahren umfassend: - Detektieren eines Kurzschlusses eines der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312) mittels einer Detektionseinheit (18, 118, 218, 318); - Erzeugen eines Reaktionssignals mittels einer Reaktionseinheit (20, 120, 220, 320); - Ansteuern des Reaktionstransistors (22, 122, 222, 322) mit dem Reaktionssignal, um diesen in einen Leitungszustand zu versetzen.