DE102020208166A1

DE102020208166A1 - Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einer verbesserten Kurzschlussdetektion der Leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE102020208166A1
Application number: DE102020208166.2A
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 Ansteuerelektronik (18, 118, 218, 318) zur Ansteuerung der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312); wobei eine Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) zum Verbinden der Ansteuerelektronik (18, 118, 218, 318) mit einem Gate-Anschluss (115, 215, 315) eines der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312) vorgesehen ist, wobei die Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) dazu ausgelegt ist, zumindest eine erste Impedanz (321) und eine zweite Impedanz (323) einzustellen, wobei die zweite Impedanz (323) höher ist als die erste Impedanz (321).

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 kann eine Detektionseinheit zum Detektieren eines Kurzschlusses eines der Leistungsschalter umfassen. 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 kann ferner eine mit der Detektionseinheit in Kommunikation befindliche Reaktionseinheit zum Erzeugen eines Reaktionssignals umfassen. Das Leitungsmodul kann außerdem einen Reaktionstransistor umfassen, der zwischen einem Gate-Anschluss und einem Source-Anschluss des Leistungsschalters geschaltet ist. Die Reaktionseinheit kann dazu ausgebildet sein, den Reaktionstransistor mit dem Reaktionssignal anzusteuern und in einen Leitungszustand zu versetzen.
Wenn die Detektionseinheit einen Kurzschluss des Leistungsschalters detektiert, kann die Reaktionseinheit über den Kurzschluss informiert werden. Die Reaktionseinheit kann dann das Steuersignal auslösen und dieses an den Reaktionstransistor senden. Vorzugsweise handelt es 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 Impedanzeinstelleinheit ist zum Verbinden der Ansteuerelektronik mit einem Gate-Anschluss eines der Leistungsschalter angeordnet. Die Impedanzeinstelleinheit ist dazu ausgelegt, zumindest eine erste Impedanz und eine zweite Impedanz einzustellen, wobei die zweite Impedanz größer als die erste Impedanz ist. Die Impedanzeinstelleinheit ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die zweite Impedanz nach Ablauf einer vordefinierten Wartezeit ab dem Beginn des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters einzustellen. Der Beginn des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters ist durch die Umstellung der Gate-Spannung (Treiberspannung), die die Ansteuerelektronik am Gate-Anschluss des Leistungsschalters anlegt, initiiert. Die Gate-Spannung kann in der Regel zwei verschiedene Werte annehmen, nämlich eine erste Spannung (bspw. +15V) für den Leitungszustand des Leistungsschalters, und eine zweite Spannung (bspw. -5V) für den Sperrzustand des Leistungsschalters. Beim Einschalten des Leistungsschalters wird die Gate-Spannung von der zweiten Spannung auf die erste Spannung umgestellt.
Da der Einschaltvorgang eine endliche Zeitdauer benötigt, kann durch das Abwarten der vordefinierten Wartezeit, die beispielsweise 100 Nanosekunden beträgt oder in einem Bereich zwischen 100 Nanosekunden und 500 Nanosekunden liegt, gewährleistet werden, dass erst nach Abschluss des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters die zweite Impedanz eingestellt wird. Der Leistungsschalter ist bereits eingeschaltet und befindet sich in einem Leitungszustand. Wenn danach ein Kurzschluss des Leistungsschalters detektiert wird, kann der Reaktionsschalter eingeschaltet werden, um den Kurzschluss zu beseitigen. In diesem Fall wird die Eigenkapazität des Leistungsschalters durch den Reaktionsschalter, der den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des Leistungsschalters kurzschließt, entladen. Der Entladeprozess ist hierbei besonders effizient, da zwischen der Ansteuerelektronik (Treiber) und dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters mittels der eingestellten zweiten Impedanz ein Hochimpedanzzustand bereits hergestellt ist, der einen Treiberstrom von der Ansteuerelektronik verhindert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Impedanzeinstelleinheit dazu ausgelegt sein, die zweite Impedanz einzustellen, wenn ein zweiter Kurzschluss detektiert wird, bei dem sich der Leistungsschalter in einem Leitungszustand befindet. Vorzugsweise wird gleichzeitig zum Einstellen der zweiten Impedanz der Reaktionsschalter eingeschaltet. In diesem Fall kann sichergestellt werden, dass während des Entladeprozesses der Eigenkapazität des Leistungsschalters ein Hochimpedanzzustand zwischen der Ansteuerelektronik (Treiber) und dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters herrscht. Dies begünstigt eine schnelle Abschaltung des kurzgeschlossenen Leistungsschalters.
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 im Rahmen dieser Erfindung 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 12, 14, 16 erfolgt mittels einer Ansteuerelektronik 18, die eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik 18 umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der Leistungsschalter 12, 14, 16 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 (nicht gezeigt) vorzusehen, mit dem die Leistungsschalter 12, 14 16 in thermischer Kopplung stehen.
Das Leistungsmodul 10 kann eine Detektionseinheit (nicht gezeigt) zum Detektieren eines Kurzschlusses eines der Leistungsschalter 12, 14, 16 umfassen. Die Detektionseinheit kann in der Ansteuerelektronik 18, vorzugsweise in der Treiberkomponente der Ansteuerelektronik 18, schaltungsmäßig integriert sein. Die Detektionseinheit kann durch Vermessen eines Zustandsparameters des Leistungsschalters 12, 14, 16 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 10 kann ferner eine mit der Detektionseinheit in Kommunikation befindliche Reaktionseinheit (nicht gezeigt) zum Erzeugen eines Reaktionssignals umfassen. Das Leitungsmodul 10 kann außerdem einen Reaktionsschalter, vorzugsweise einen Reaktionstransistor (nicht gezeigt), umfassen, der zwischen einem Gate-Anschluss und einem Source-Anschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 geschaltet ist. Die Reaktionseinheit kann dazu ausgebildet sein, den Reaktionsschalter bzw. den Reaktionstransistor mit dem Reaktionssignal anzusteuern und in einen Leitungszustand zu versetzen.
Wenn die Detektionseinheit einen Kurzschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 detektiert, kann die Reaktionseinheit über den Kurzschluss informiert werden. Die Reaktionseinheit kann dann das Steuersignal auslösen und dieses an den Reaktionstransistor senden. Vorzugsweise handelt es 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 12, 14, 16 über den Reaktionstransistor kurzgeschlossen. Die Gate-Spannung, die am Gate-Anschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 anliegt und für den durch die Detektionseinheit detektierten Kurzschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 sorgt, liegt nun am Source-Anschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 an, sodass der Leistungsschalter 12, 14, 16 in einer definierten Weise abschaltet.
Eine Impedanzeinstelleinheit 20 ist zum Verbinden der Ansteuerelektronik 18 mit einem Gate-Anschluss eines der Leistungsschalter 12, 14, 16 angeordnet. Die Impedanzeinstelleinheit 20 ist dazu ausgelegt, zumindest eine erste Impedanz und eine zweite Impedanz einzustellen, wobei die zweite Impedanz größer als die erste Impedanz ist. Die Impedanzeinstelleinheit 20 ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die zweite Impedanz nach Ablauf einer vordefinierten Wartezeit ab dem Beginn des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters einzustellen. Der Beginn des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters 12, 14, 16 ist durch die Umstellung der Gate-Spannung (Treiberspannung), die die Ansteuerelektronik 18 am Gate-Anschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 anlegt, initiiert. Die Gate-Spannung kann in der Regel zwei verschiedene Werte annehmen, nämlich eine erste Spannung (bspw. +15V) für den Leitungszustand des Leistungsschalters 12, 14, 16, und eine zweite Spannung (bspw. -5V) für den Sperrzustand des Leistungsschalters 12, 14, 16. Beim Einschalten des Leistungsschalters 12, 14, 16 wird die Gate-Spannung von der zweiten Spannung auf die erste Spannung umgestellt.
Da der Einschaltvorgang eine endliche Zeitdauer benötigt, kann durch das Abwarten der vordefinierten Wartezeit, die beispielsweise 100 Nanosekunden beträgt oder in einem Bereich zwischen 100 Nanosekunden und 500 Nanosekunden liegt, gewährleistet werden, dass erst nach Abschluss des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters 12, 14, 16 die zweite Impedanz eingestellt wird. Der Leistungsschalter 12, 14, 16 ist bereits eingeschaltet und befindet sich in einem Leitungszustand. Wenn danach ein Kurzschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 detektiert wird, kann der Reaktionsschalter eingeschaltet werden, um den Kurzschluss zu beseitigen. In diesem Fall wird die Eigenkapazität des Leistungsschalters 12, 14, 16 durch den Reaktionsschalter, der den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 kurzschließt, entladen. Der Entladeprozess ist hierbei besonders effizient, da zwischen der Ansteuerelektronik 18 (Treiber) und dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 mittels der eingestellten zweiten Impedanz ein Hochimpedanzzustand bereits hergestellt ist, der einen Treiberstrom von der Ansteuerelektronik 18 verhindert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Impedanzeinstelleinheit 20 dazu ausgelegt sein, die zweite Impedanz einzustellen, wenn ein zweiter Kurzschluss detektiert wird, bei dem sich der Leistungsschalter 12, 14, 16 in einem Leitungszustand befindet. Vorzugsweise wird gleichzeitig zum Einstellen der zweiten Impedanz der Reaktionsschalter eingeschaltet. In diesem Fall kann sichergestellt werden, dass während des Entladeprozesses der Eigenkapazität des Leistungsschalters 12, 14, 16 ein Hochimpedanzzustand zwischen der Ansteuerelektronik 18 (Treiber) und dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 12, 14, 16 herrscht. Dies begünstigt eine schnelle Abschaltung des kurzgeschlossenen Leistungsschalters 12, 14, 16. Die zweite Impedanz kann um einen Faktor von 100, 500, 1000, 1500, oder 2000 größer als die erste Impedanz sein.
Die in 1 gezeigte Ausführungsform des Leistungsmoduls 10 ist eine allgemeine Ausführungsform, bei der die oben beschriebenen Eigenschaften der verschiedenen Komponenten 12 bis 20 auch für die entsprechenden Komponenten 112 bis 120, 212 bis 220, 312 bis 320 der unten näher beschriebenen Ausführungsformen gelten.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Leistungsmodul 100 umfasst wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform einen Leistungsschalter 112, der einen Drain-Anschluss 113, einen Source-Anschluss 114 und einen Gate-Anschluss 115 umfasst, eine Ansteuerelektronik 118 und eine Impedanzeinstelleinheit 120. Zusätzlich umfasst das Leistungsmodul 100 einen Reaktionsschalter 124, der als Reaktionstransistor ausgebildet ist und einen Reaktionsgate-Anschluss 125 aufweist. Der Reaktionsschalter 124 ist zwischen dem Gate-Anschluss 115 und dem Source-Anschluss 114 des Leistungsschalters 112 geschaltet, wobei eine Diode 126 zur Abkopplung einer am Leistungsschalter 112 angelegten Hochspannung von dem Reaktionsschalter 112 zu Letzterem reihengeschaltet ist. Eine Reaktionseinheit 122 zur Ansteuerung des Reaktionsschalters 124 basierend auf einem detektierten Kurzschluss des Leistungsschalter 112 ist ebenfalls im Leistungsmodul 100 vorgesehen.
Die Impedanzeinstelleinheit 120 ist zum Verbinden der Ansteuerelektronik 118 mit dem Gate-Anschluss 115 des der Leistungsschalters 112 angeordnet. Die Impedanzeinstelleinheit 120 ist dazu ausgelegt, zumindest eine erste Impedanz und eine zweite Impedanz einzustellen, wobei die zweite Impedanz größer als die erste Impedanz ist. Die Impedanzeinstelleinheit 120 ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die zweite Impedanz nach Ablauf einer vordefinierten Wartezeit ab dem Beginn des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters 112 einzustellen.
Da der Einschaltvorgang eine endliche Zeitdauer benötigt, kann durch das Abwarten der vordefinierten Wartezeit, die beispielsweise 100 Nanosekunden beträgt oder in einem Bereich zwischen 100 Nanosekunden und 500 Nanosekunden liegt, gewährleistet werden, dass erst nach Abschluss des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters 112 die zweite Impedanz eingestellt wird. Der Leistungsschalter 112 ist bereits eingeschaltet und befindet sich in einem Leitungszustand. Wenn danach ein Kurzschluss des Leistungsschalters 112 detektiert wird, kann der Reaktionsschalter 124, angesteuert durch die Reaktionseinheit 122, eingeschaltet werden, um den Kurzschluss zu beseitigen. In diesem Fall wird die Eigenkapazität des Leistungsschalters 112 durch den Reaktionsschalter 124, der den Gate-Anschluss 115 und den Source-Anschluss 114 des Leistungsschalters 112 kurzschließt, entladen. Der Entladeprozess ist hierbei besonders effizient, da zwischen der Ansteuerelektronik 118 (Treiber) und dem Gate-Anschluss 115 des Leistungsschalters 112 mittels der eingestellten zweiten Impedanz ein Hochimpedanzzustand bereits hergestellt ist, der einen Treiberstrom von der Ansteuerelektronik 118 verhindert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Impedanzeinstelleinheit 120 dazu ausgelegt sein, die zweite Impedanz einzustellen, wenn ein zweiter Kurzschluss detektiert wird, bei dem sich der Leistungsschalter 112 in einem Leitungszustand befindet. Vorzugsweise wird gleichzeitig zum Einstellen der zweiten Impedanz der Reaktionsschalter 124 eingeschaltet. In diesem Fall kann sichergestellt werden, dass während des Entladeprozesses der Eigenkapazität des Leistungsschalters 112 ein Hochimpedanzzustand zwischen der Ansteuerelektronik 118 (Treiber) und dem Gate-Anschluss 115 des Leistungsschalters 112 herrscht. Dies begünstigt eine schnelle Abschaltung des kurzgeschlossenen Leistungsschalters 112.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Leistungsmodul 200 ist im Wesentlichen der in 2 gezeigten Ausführungsform ähnlich und umfasst einen Leistungsschalter 212, der einen Drain-Anschluss 213, einen Source-Anschluss 214 und einen Gate-Anschluss 215 umfasst, eine Ansteuerelektronik 218 und eine Impedanzeinstelleinheit 220. Zusätzlich umfasst das Leistungsmodul 200 einen Reaktionsschalter 224, der als Reaktionstransistor ausgebildet ist und einen Reaktionsgate-Anschluss 225 aufweist. Der Reaktionsschalter 224 ist zwischen dem Gate-Anschluss 215 und dem Source-Anschluss 214 des Leistungsschalters 212 geschaltet, wobei eine Diode 226 zur Abkopplung einer am Leistungsschalter 212 angelegten Hochspannung von dem Reaktionsschalter 212 zu Letzterem reihengeschaltet ist. Eine Reaktionseinheit 222 zur Ansteuerung des Reaktionsschalters 224 basierend auf einem detektierten Kurzschluss des Leistungsschalter 212 ist ebenfalls im Leistungsmodul 200 vorgesehen.
Zusätzlich zu den bereits in der Ausführungsform aus 2 gezeigten Komponenten umfasst das Leistungsmodul 200 in 3 einen Kondensator 228, der zwischen dem Gate-Anschluss 215 und dem Source-Anschluss 214 des Leistungsschalters 212 zum Reaktionsschalter 224 reihengeschaltet ist, und eine Spannungsquelle 230 und einen Vorwiderstand 232, wobei die Spannungsquelle 230 und der Vorwiderstand 232 zum Kondensator 228 parallelgeschaltet sind. Die Spannungsquelle 230 ist dazu ausgelegt, eine einstellbare Spannung am Kondensator 228 anzulegen, um die Spannung zwischen dem Gate-Anschluss 215 und dem Source-Anschluss 214 des Leistungsschalters 212 zu modulieren. Im Fall, dass ein Kurzschluss des Leistungsschalters 212 in einem Leitungszustand des Leistungsschalters 212 (d.h., der Leistungsschalter 212 ist eingeschaltet) detektiert ist, kann die Spannungsquelle 230 eine erste Spannung anlegen, die anders ist als eine zweite Spannung, wobei die zweite Spannung im Fall, dass ein Kurzschluss des Leistungsschalters 212 in einem Sperrzustand des Leistungsschalters 212 (d.h., der Leistungsschalter 212 ist ausgeschaltet) detektiert ist, angelegt wird. Insbesondere kann die erste Spannung niedriger als die erste Spannung sein. Dies ist dahingehend vorteilhaft, dass der im Leitungszustand kurzgeschlossene Leistungsschalter 212 effizienter entladen wird.
Die Impedanzeinstelleinheit 20, 120, 220 kann einen integrierten Schaltkreis und/oder eine Widerstands- und Schalteranordnung aufweisen. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der die Impedanzeinstelleinheit 320 eine Widerstands- und Schalteranordnung umfasst. Das Leistungsmodul 300 ist im Wesentlichen gleich ausgebildet wie das Leistungsmodul 100 in 2, wobei die Widerstands- und Schalteranordnung 320 ist eine spezifische Form der Impedanzeinstelleinheit 120.
Das Leistungsmodul 300 umfasst wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform einen Leistungsschalter 312, der einen Drain-Anschluss 313, einen Source-Anschluss 314 und einen Gate-Anschluss 315 umfasst, eine Ansteuerelektronik 318 und eine Impedanzeinstelleinheit 320, einen Reaktionsschalter 324, der als Reaktionstransistor ausgebildet ist und einen Reaktionsgate-Anschluss 325 aufweist. Der Reaktionsschalter 324 ist zwischen dem Gate-Anschluss 315 und dem Source-Anschluss 314 des Leistungsschalters 312 geschaltet, wobei eine Diode 326 zur Abkopplung einer am Leistungsschalter 312 angelegten Hochspannung von dem Reaktionsschalter 312 zu Letzterem reihengeschaltet ist. Eine Reaktionseinheit 322 zur Ansteuerung des Reaktionsschalters 324 basierend auf einem detektierten Kurzschluss des Leistungsschalter 312 ist ebenfalls im Leistungsmodul 300 vorgesehen.
In Bezug auf die in 4 gezeigte Ausführungsform wird der Hochimpedanzzustand dadurch bereitgestellt, in dem ein erster Schalter 327 geöffnet und ein zweiter Schalter 329 geschlossen wird. Eine erste Impedanz 321 ist durch den ersten Schalter 327 ein- und ausschaltbar, wobei eine zweite Impedanz 323 durch den zweiten Schalter 329 ein- und ausschaltbar ist. Die zweite Impedanz 323 ist höher als die erste Impedanz 321, etwa um einen Faktor von 100, 500, 1000, 1500 oder 2000. Der Niederimpedanzzustand ist dadurch bereitgestellt, in dem der erste Schalter 327 geschlossen und der zweite Schalter 329 entweder geöffnet oder geschlossen ist.
Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften der Impedanzeinstelleinheit 120 des Leistungsmoduls 100 in 2 gelten auch für die Impedanzeinstelleinheiten 220, 320 der Leistungsmodule 200, 300 in 3 und 4. Zum Bereitstellen des Hochimpedanzzustands und des Niederimpedanzzustands bei den Ausführungsformen aus 3 und 4 wird auf die obige Beschreibung bzgl. der Ausführungsformen aus 1 und 2 verwiesen.
Die Impedanzeinsteleinheit 20, 120, 220, 320 lässt sich in der Ansteuerelektronik 18, 118, 218, 318 schaltungsmäßig integrieren.
Bezugszeichenliste

10, 100, 200, 300: Leistungsmodul
12, 14, 16, 112, 212, 312: Leistungsschalter
113, 213, 313: Drain-Anschluss
114, 214, 314: Source-Anschluss
115, 215, 315: Gate-Anschluss
18, 118, 218, 318: Ansteuerelektronik
20, 120, 220, 320: Impedanzeinstelleinheit
122, 222, 322: Reaktionseinheit
124, 224, 324: Reaktionsschalter
125, 225, 325: Reaktionsgate-Anschluss
126, 226, 326: Diode
228: Kondensator
230: Spannungsquelle
232: Vorwiderstand
321: erste Impedanz
323: zweite Impedanz
327: erster Schalter
329: zweiter Schalter

Claims

Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend: - mehrere Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312); - eine Ansteuerelektronik (18, 118, 218, 318) zur Ansteuerung der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312); wobei eine Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) zum Verbinden der Ansteuerelektronik (18, 118, 218, 318) mit einem Gate-Anschluss (115, 215, 315) eines der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312) vorgesehen ist, wobei die Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) dazu ausgelegt ist, zumindest eine erste Impedanz (321) und eine zweite Impedanz (323) einzustellen, wobei die zweite Impedanz (323) höher ist als die erste Impedanz (321).
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach Anspruch 1, wobei die Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) dazu ausgelegt ist, die zweite Impedanz (323) nach Ablauf einer vordefinierten Wartezeit ab dem Beginn des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters (12, 14, 16, 112, 212, 312) einzustellen.
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach Anspruch 2, wobei die vordefinierte Wartezeit zumindest 100 Nanosekunden beträgt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 100 Nanosekunden und 500 Nanosekunden liegt.
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) dazu ausgelegt ist, die zweite Impedanz einzustellen, wenn ein zweiter Kurzschluss detektiert wird, bei dem sich der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312) in einem Leitungszustand befindet.
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bist 4, wobei die Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) dazu ausgelegt ist, die erste Impedanz (321) einzustellen, wenn ein erster Kurzschluss detektiert wird, bei dem sich der Leistungsschalter (12, 14, 16, 112, 212, 312) in einem Sperrzustand befindet.
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bist 5, wobei die zweite Impedanz (323) um einen Faktor von zumindest 100, vorzugsweise zumindest 1000, größer als die erste Impedanz (321) ist.
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) dazu ausgelegt ist, die zweite Impedanz (323) nach Ablauf einer vordefinierten Wartezeit ab dem Beginn des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters (12, 14, 16, 112, 212, 312) einzustellen, wenn während eines Einschaltvorgangs des Leistungsschalters (12, 14, 16, 112, 212, 312) kein Kurzschluss detektiert wird.
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Impedanzeinstelleinheit (20, 120, 220, 320) in der Ansteuerelektronik (18, 118, 218, 318) des Leistungsmoduls (10, 100, 200, 300) schaltungsmäßig integriert ist.
Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) als Wechselrichter ausgebildet ist.
Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, umfassend ein Leistungsmodul (10, 100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.