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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Halbbrücke und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
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Im Betrieb von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren, beispielsweise innerhalb eines Moduls, kommt es im Fehlerfall zu einem Drain-Gate-Kurzschluß und/oder Gate-Source-Kurzschluß in einem der Halbleitertransistoren. Durch den Kurzschluß des fehlerhaften Halbleitertransistors migriert eine Spannung über den Gate-Pfad des fehlerhaften Halbleitertransistors, der weiterhin einen Kanal bilden kann, auf die parallelgeschalteten funktionsfähigen Halbleitertransistoren. Diese parallelgeschalteten Halbleitertransistoren werden in einen Zwischenzustand überführt, wobei sie Gefahr laufen thermisch durchzugehen.
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Um dies zu verhindern sind Parallelschaltungen mehrerer MOSFETs bekannt, die jeweils unmittelbar mit einem Gate-Treiber verbunden sind und von diesem ein- und ausgeschaltet werden können.
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Nachteilig ist hierbei, dass bei der direkten Verschaltung der Gate-Treiber mit den Gates der MOSFETs die gesamte Baugruppe im Fehlerfall eines einzelnen MOSFETs zerstört wird und somit nicht mehr funktionsfähig ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu überwinden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Vorrichtung umfasst eine Gate-Treiberstufe, eine Entkopplungsschaltung und einen Halbleiterschalter, wobei der Halbleiterschalter mindestens einen ersten Halbleitertransistor und einen zweiten Halbleitertransistor aufweist, wobei der erste Halbleitertransistor und der zweite Halbleitertransistor parallel zueinander geschaltet sind. Erfindungsgemäß ist die Entkopplungsschaltung eingangsseitig mit einem Ausgang der Gate-Treiberstufe und ausgangsseitig mit dem Halbleiterschalter elektrisch verbunden, wobei die Entkopplungsschaltung einen ersten Entkopplungspfad und einen zweiten Entkopplungspfad aufweist, wobei der erste Entkopplungspfad mit einem ersten Gateanschluss des ersten Halbleitertransistors elektrisch verbunden ist und der zweite Entkopplungspfad mit einem zweiten Gateanschluss des zweiten Halbleitertransistors elektrisch verbunden ist, und der erste Entkopplungspfad und der zweite Entkopplungspfad parallel zueinander geschaltet sind und der erste Entkopplungspfad und der zweite Entkopplungspfad identisch aufgebaut sind. Im Fehlerfall stellt die Entkopplungsschaltung des ersten Halbleitertransistors oder des zweiten Halbleitertransistors die Funktionsfähigkeit des Halbleiterschalters sicher. Unter dem Begriff Fehlerfall wird die Tatsache verstanden, dass ein Kurzschluss eines Gate-Source-Anschlusses und/oder des Gate-Drain-Anschlusses des ersten Halbleiterschalters vorliegt.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die Gate-Treiberstufe bzw. der Gate-Treiber die fehlerfreien Halbleitertransistoren weiterhin ansteuern kann. Das Überführen der fehlerfreien Halbleitertransistoren in einen Zwischenzustand wird somit vermieden. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass der fehlerhafte Halbleitertransistor schnell erkannt wird.
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In einer Ausführungsform weisen der erste Entkopplungspfad und der zweite Entkopplungspfad jeweils einen ersten Widerstand, einen zweiten Widerstand und einen ersten Kondensator auf, wobei der erste Widerstand größer ist als der zweite Widerstand und der erste Widerstand und der erste Kondensator eine erste Parallelschaltung bilden, wobei die erste Parallelschaltung und der zweite Widerstand eine erste Reihenschaltung bilden.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die transienten Signale, die durch den fehlerhaften Halbleitertransistor erzeugt werden, durch eine gute Kopplung die funktionsfähigen Halbleitertransistoren ansteuern, wobei die Fehlerströme in die Gate-Treiferstufe niedrig sind. Des Weiteren wird das Schaltverhalten der fehlerfreien Halbleiterschalter verbessert, da die Zeitkonstante verringert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen der erste Entkopplungspfad und der zweite Entkopplungspfad jeweils eine erste Diode, einen zweiten Kondensator und einen dritten Widerstand auf, wobei eine Kathode der ersten Diode mit dem Ausgang der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden ist und eine Anode der ersten Diode mit dem Halbleiterschalter elektrisch verbunden ist, wobei die erste Diode und der zweite Kondensator eine zweite Parallelschaltung bilden und die zweite Parallelschaltung und der dritte Widerstand eine zweite Reihenschaltung bilden.
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Der Vorteil ist hierbei, dass in Abhängigkeit der Stromrichtung eine Entkopplung zwischen der Gate-Treiberstufe und dem Halbleiterschalter oder eine Überbrückung der Kapazität erfolgt.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen der erste Entkopplungspfad und der zweite Entkopplungspfad jeweils eine zweite Diode, einen vierten Widerstand, eine dritte Diode, einen fünften Widerstand, einen dritten Kondensator und einen sechsten Widerstand auf, wobei eine Anode der zweiten Diode mit dem Ausgang der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden ist und eine Kathode der zweiten Diode mit dem Halbleiterschalter elektrisch verbunden ist, wobei eine Kathode der dritten Diode mit dem Ausgang der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden ist und eine Anode der dritten Diode mit dem Halbleiterschalter elektrisch verbunden ist, wobei die zweite Diode und der vierte Widerstand eine dritte Reihenschaltung bilden, wobei der dritte Kondensator und der sechste Widerstand eine vierte Reihenschaltung bilden, wobei die vierte Reihenschaltung und der fünfte Widerstand eine dritte Parallelschaltung bilden, wobei die dritte Parallelschaltung und die dritte Diode eine fünfte Reihenschaltung bilden, wobei die dritte Reihenschaltung und die fünfte Reihenschaltung eine vierte Parallelschaltung bilden.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Halbleiterschalter MOSFETs oder IGBTs.
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In einer Weiterbildung umfasst eine Halbbrücke zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen, wobei eine der Vorrichtungen einen ersten Halbleiterschalter aufweist, der als Lowsideschalter fungiert und die andere Vorrichtung einen zweiten Halbleiterschalter aufweist, der als Highsideschalter fungiert.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die Restverfügbarkeit der Halbbrücke gewährleistet ist. Das bedeutet, dass der durch den Kurzschluß hervorgerufene Spannungseinbruch am Gate des fehlerhaften Halbleitertransistors nicht auf den parallelen noch intakten Schalter migrieren kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einer Gate-Treiberstufe, einer Entkopplungsschaltung und einem Halbleiterschalter, wobei die Entkopplungsschaltung einen ersten Entkopplungspfad und einen zweiten Entkopplungspfad ausweist, wobei der erste Entkopplungspfad und der zweite Entkopplungspfad parallel zueinander geschaltet sind, und der Halbleiterschalter mindestens einen ersten Halbleitertransistor und einen zweiten Halbleitertransistor aufweist, wobei der erste Halbleitertransistor und der zweite Halbleitertransistor parallel zueinander geschaltet sind, umfasst das Erfassen eines Kurzschlusses des ersten Halbleitertransistors mit Hilfe eines Gate-Treiber-Steuergeräts, das Ansteuern des zweiten Halbleitertransistors mit Hilfe der Gate-Treiberstufe, sodass der zweite Halbleitertransistor eingeschaltet ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Laden eines ersten Kondensators des ersten Entkopplungspfads mit Hilfe der Gate-Treiberstufe oder einer Transienten, und das Erzeugen eines Stroms mit Hilfe der Gate-Treiberstufe, sodass die Funktionsfähigkeit des zweiten Halbleitertransistors über den zweiten Entkopplungspfad sichergestellt wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung mit einer Gate-Treiberstufe, einer Entkopplungsschaltung und einem Halbleiterschalter,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Entkopplungsschaltung,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Entkopplungsschaltung,
- 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Entkopplungsschaltung, und
- 5 ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einer Gate-Treiberstufe, einer Entkopplungsschaltung und einem Halbleiterschalter.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 mit einer Gate-Treiberstufe 101, einer Entkopplungsschaltung 102 und einem Halbleiterschalter 103. Die Entkopplungsschaltung 102 ist zwischen einem Ausgang der Gate-Treiberstufe 101 und dem Halbleiterschalter 103 angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden. Der Halbleiterschalter 103 umfasst mindestens einen ersten Halbleitertransistor 104 und einen zweiten Halbleitertransistor 105, wobei der erste Halbleitertransistor 104 und der zweite Halbleitertransistor 105 parallel zueinander angeordnet bzw. geschaltet sind. Die Entkopplungsschaltung 102 weist einen ersten Entkopplungspfad 106 und einen zweiten Entkopplungspfad 107 auf, wobei der erste Entkopplungspfad 106 mit einem ersten Gateanschluss des ersten Halbleitertransistors 104 elektrisch verbunden ist und der zweite Entkopplungspfad 107 mit einem zweiten Gateanschluss des zweiten Halbleitertransistors 105 elektrisch verbunden ist. Der erste Entkopplungspfad 106 und der zweite Entkopplungspfad 107 sind parallel zueinander geschaltet bzw. angeordnet, wobei der erste Entkopplungspfad 106 und der zweite Entkopplungspfad 107 identisch aufgebaut sind. Im Fehlerfall stellt die Entkopplungsschaltung 102 des ersten Halbleitertransistors 104 oder des zweiten Halbleitertransistors 105 die Funktionsfähigkeit des Halbleiterschalters 103 sicher.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Halbleiterschalter 103 eine Vielzahl von Halbleitertransistoren, die parallel zueinander geschaltet sind. Dabei ist zwischen dem Ausgang der Gate-Treiberstufe 101 und jedem Halbleitertransistor jeweils eine Entkopplungsschaltung angeordnet.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Entkopplungsschaltung 202. Die Entkopplungsschaltung 202 umfasst einen ersten Entkopplungspfad 206 und einen zweiten Entkopplungspfad 207, die identisch aufgebaut sind. Der erste Entkopplungspfad 206 und der zweite Entkopplungspfad 207 sind parallel zueinander geschaltet, wobei der erste Entkopplungspfad 206 und der zweite Entkopplungspfad 207 eingangsseitig mit einem Ausgang 213 der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden sind. Ausgangsseitig ist der erste Entkopplungspfad 206 über einen ersten Anschluss 211 mit dem ersten Halbleitertransistor elektrisch verbunden und der zweite Entkopplungspfad 207 über einen zweiten Anschluss 212 mit dem zweiten Halbleitertransistor elektrisch verbunden. Der erste Entkopplungspfad 206 und der zweite Entkopplungspfad 207 umfassen einen ersten Widerstand 208, einen zweiten Widerstand 209 und eine ersten Kondensator 210. Dabei ist der erste Widerstand 208 größer als der zweite Widerstand 209. Der erste Widerstand 208 und der erste Kondensator 210 bilden eine erste Parallelschaltung, die in Reihe zum zweiten Widerstand angeordnet ist.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Entkopplungsschaltung 302. Die Entkopplungsschaltung 302 umfasst einen ersten Entkopplungspfad 306 und einen zweiten Entkopplungspfad 307, die parallel zueinander angeordnet sind. Der erste Entkopplungspfad 306 und der zweite Entkopplungspfad 307 sind eingangsseitig mit einem Ausgang 316 der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden. Ausgangsseitig ist der erste Entkopplungspfad 306 über einen ersten Anschluss 314 mit dem ersten Halbleitertransistor elektrisch verbunden und der zweite Entkopplungspfad 307 über einen zweiten Anschluss 315 mit dem zweiten Halbleitertransistor elektrisch verbunden. Der erste Entkopplungspfad 306 und der zweite Entkopplungspfad 307 umfassen jeweils eine erste Diode 311, einen zweiten Kondensator 312 und einen dritten Widerstand 313. Die erste Diode 311 ist beispielhaft eine npn-Diode. Eine Kathode der ersten Diode 311 ist mit dem Ausgang der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden und eine Anode der ersten Diode 311 ist mit dem Halbleiterschalter elektrisch verbunden. Die erste Diode 311 und der zweite Kondensator 312 bilden eine zweite Parallelschaltung und die zweite Parallelschaltung und der dritte Widerstand 313 bilden eine zweite Reihenschaltung. Im Normalbetrieb wird beim Einschalten des Halbleiterschalters die erste Diode 311 über den zweiten Kondensator 312 überbrückt. Im Fehlerfall eines Halbleitertransistors des Halbleiterschalters fließt ein transienter Strom vom fehlerhaften Halbleitertransistor über den dritten Widerstand 313 und die nun in Flußrichtung gepolte erste Diode 311. Da von der Gate-Treiberstufe ein Strom in Richtung Halbleiterschalter fließt, werden die restlichen Halbleitertransistoren bzw. der Halbleiterschalter funktionsfähig gehalten.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Entkopplungsschaltung 402. Die Entkopplungsschaltung 402 umfasst einen ersten Entkopplungspfad 406 und einen zweiten Entkopplungspfad 407, die parallel zueinander angeordnet sind. Der erste Entkopplungspfad 406 und der zweite Entkopplungspfad 407 sind eingangsseitig mit einem Ausgang 422 der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden. Ausgangsseitig ist der erste Entkopplungspfad 406 über einen ersten Anschluss 420 mit dem ersten Halbleitertransistor elektrisch verbunden und der zweite Entkopplungspfad 407 über einen zweiten Anschluss 421 mit dem zweiten Halbleitertransistor elektrisch verbunden. Der erste Entkopplungspfad 406 und der zweite Entkopplungspfad 407 umfassen jeweils eine zweite Diode 414, einen vierten Widerstand 415, eine dritte Diode 416, einen fünften Widerstand 417, einen dritten Kondensator 418 und einen sechsten Widerstand 419. Die zweite Diode 414 und die dritte Diode 416 sind beispielhaft als npn-Dioden ausgestaltet. Eine Anode der zweiten Diode 414 ist mit dem Ausgang der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden und eine Kathode der zweiten Diode ist mit dem Halbleiterschalter elektrisch verbunden. Eine Kathode der dritten Diode 414 ist mit dem Ausgang der Gate-Treiberstufe elektrisch verbunden und eine Anode der dritten Diode 414 ist mit dem Halbleiterschalter elektrisch verbunden. Bei einem Stromfluß vom Ausgang der Gate-Treiberstufe zum Halbleiterschalter ist somit die zweite Diode 414 in Flußrichtung gepolt und die dritte Diode 416 in Sperrrichtung gepolt. Die zweite Diode 414 und der vierte Widerstand 415 bilden eine dritte Reihenschaltung, wobei der dritte Kondensator 418 und der sechste Widerstand 419 bilden eine vierte Reihenschaltung, wobei die vierte Reihenschaltung und der fünfte Widerstand 417 eine dritte Parallelschaltung bilden. Die dritte Parallelschaltung und die dritte Diode 416 bilden eine fünfte Reihenschaltung, wobei die dritte Reihenschaltung und die fünfte Reihenschaltung eine vierte Parallelschaltung bilden. Im Normalbetrieb fließt beim Einschalten des Halbleiterschalters der Strom vom Ausgang der Gate-Treiberstufe über die in Flußrichtung gepolte zweite Diode 414 und den vierten Widerstand 415. Im Fehlerfall eines Halbleitertransistors des Halbleiterschalters fließt ein transienter Strom vom fehlerhaften Halbleitertransistor über die fünfte Reihenschaltung.
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Der erste Kondensator 210, der zweite Kondensator 312 und der dritte Kondensator 418 weisen jeweils eine höhere Kapazität auf als eine interne Gate-Kapazität der am Ausgang der jeweiligen Entkopplungspfade angeschlossenen Halbleitertransistoren.
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Die 2, 3 und 4 zeigen beispielhaft zwei Entkopplungspfade. Die Erfindung ist aber nicht auf die Anzahl von zwei Entkopplungspfaden beschränkt. Die Entkopplungsschaltung 202, 302 und 402 kann eine Vielzahl von Entkopplungspfaden aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei jeder Entkopplungspfad ausgangsseitig mit einem Halbleitertransistor elektrisch verbunden ist. Eingangsseitig ist die Entkopplungsschaltung 202, 302 und 402 mit dem Ausgang der Gate-Treiberstufe verbunden.
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Die Vorrichtung 100 und die Halbbrücke findet beispielsweise Anwendung in Invertern und Konvertern eines elektrischen Fahrzeugantriebs.
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5 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren 500 zum Betreiben einer Vorrichtung mit einer Gate-Treiberstufe, einer Entkopplungsschaltung und einem Halbleiterschalter, wobei die Entkopplungsschaltung einen ersten Entkopplungspfad und einen zweiten Entkopplungspfad ausweist, wobei der erste Entkopplungspfad und der zweite Entkopplungspfad parallel zueinander geschaltet sind, und der Halbleiterschalter mindestens einen ersten Halbleitertransistor und einen zweiten Halbleitertransistor aufweist, wobei der erste Halbleitertransistor und der zweite Halbleitertransistor parallel zueinander geschaltet sind. Das Verfahren 500 startet mit einem Schritt 510, in dem ein Kurzschluss des ersten Halbleitertransistors mit Hilfe eines Gate-Treiber-Steuergeräts erfasst wird. In einem folgenden Schritt 520 wird der zweite Halbleitertransistor mit Hilfe der Gate-Treiberstufe eingeschaltet. Die Freigabe des intakten zweiten Halbleitertransistors erfolgt wenn der Halbrückenpfadstrom zu null wird. In einem folgenden Schritt 530 wird ein Kondensator des ersten Entkopplungspfads mit Hilfe der Gate-Treiberstufe oder einer Transienten geladen. In einem folgenden Schritt 540 wird mit Hilfe der Gate-Treiberstufe ein Strom erzeugt, der die Funktionsfähigkeit des zweiten Halbleitertransistors über den zweiten Entkopplungspfad sicherstellt. Alternativ können die Schritte 510 und 520 vertauscht sein.
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Bei dem Verfahren 500 sind vier Fälle zu unterscheiden. Im ersten Fall ist die Stromrichtung vom Ausgang der Gate-Treiberstufe in Richtung des defekten Gates des ersten Halbleitertransistors. Die Gate-Treiberstufe schaltet auf den bereits kurzgeschlossenen ersten Halbleitertransistor ein und klemmt den Eingang der Entkopplungsschaltung auf die Versorgungsspannung. Dabei wird auch der zweite Halbleitertransistor eingeschalten. Die Gate-Treiberstufe lädt nun die Kapazität des Entkopplungsnetzwerkes des defekten ersten Halbleitertransistors und die Kapazität des parallelen intakten zweiten Halbleitertransistors bzw. die Kapazitäten der parallelgeschalteten intakten Halbleitertransistoren. Anschließend liefert die Gate-Treiberstufe den Strom über den hochohmigen Widerstand des Entkopplungsnetzwerkes nach, sodass die intakten Halbleitertransistoren eingeschaltet bleiben.
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Im zweiten Fall ist die Stromrichtung vom Ausgang der Gate-Treiberstufe in Richtung des defekten Gates des ersten Halbleitertransistors. Die Gate-Treiberstufe hat den zweiten Halbleitertransistor eingeschalten und klemmt die Versorgungsspannung auf den Eingang der Entkopplungsschaltung. Daraufhin tritt der Kurzschluss bzw. Defekt des ersten Halbleitertransistors ein. Kurzzeitig lädt die Gate-Treiberstufe die Kapazität des Entkopplungsnetzwerks nach, sodass die Gate-Treiberstufe anschließend nur noch den Strom über den hochohmigen Widerstand des Entkopplungsnetzwerks zur Verfügung stellt, sodass der zweite Halbleitertransistor eingeschaltet bleibt.
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Im dritten Fall ist die Stromrichtung vom defekten Gate des ersten Halbleitertransistors in Richtung Gate-Treiberstufe. Dabei zieht die Gate-Treiberstufe den Eingang der Entkopplungsschaltung auf Masse. Anschließend tritt der Defekt des ersten Halbleitertransistors ein. Die Gate-Treiberstufe muss kurzzeitig den Strom der aus dem Entkopplungsnetzwerk kommt klemmen können, solange bis die Kapazität im Entkopplungsnetzwerk des defekten Chips geladen ist. Danach muss der Treiber nur noch den minimalen Strom der sich aus dem hochohmigen Widerstand ergibt weiterhin gegen Masse klemmen.
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Im vierten Fall schaltet die Gate-Treiberstufe die Halbleitertransistoren aktiv aus und legt den Eingang des Entkopplungsnetzwerkes auf Masse. Die Gate-Treiberstufe entlädt anschließend die Kapazität des intakten parallelen Halbleitertransistors.
