DE102022126557A1

DE102022126557A1 - Überwachungsschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter und Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters

Info

Publication number: DE102022126557A1
Application number: DE102022126557.9A
Authority: DE
Inventors: Naser Pour Aryan; Bastian Vogler
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter (100), welche eine Kurzschlussüberwachungseinrichtung, eine der Kurzschlussüberwachungseinrichtung (300) nachgeschaltete Filtereinrichtung (400) und eine der Filtereinrichtung (400) nachgeschaltete Freigabeeinrichtung (500) umfasst, wobei die Kurzschlussüberwachungseinrichtung (300) eine Fehlerdetektionseinheit und einen der Fehlerdetektionseinheit vorgeschalteten Hochspannungsschutz (200) aufweist, wobei die Filtereinrichtung (400) eine Verzögerungseinheit aufweist und wobei die Freigabeeinrichtung (500) die Weiterleitung der von der Verzögerungseinheit ausgegebenen Spannung von mindestens einer weiteren Freigabebedingung abhängig macht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter, welche eine Kurzschlussüberwachungseinrichtung, eine der Kurzschlussüberwachungseinrichtung nachgeschaltete Filtereinrichtung und eine der Filtereinrichtung nachgeschaltete Freigabeeinrichtung umfasst, wobei die Kurzschlussüberwachungseinrichtung eine Fehlerdetektionseinheit und einen der Fehlerdetektionseinheit vorgeschalteten Hochspannungsschutz aufweist, wobei die Filtereinrichtung eine Verzögerungseinheit aufweist und wobei die Freigabeeinrichtung die Weiterleitung der von der Verzögerungseinheit ausgegebenen Spannung von mindestens einer weiteren Freigabebedingung abhängig macht, sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters mit einer Überwachungsschaltung.
Als Stand der Technik sind Überwachungseinrichtungen zum Schutz vor Kurzschlüssen für Leistungshalbleiterschalter in mehrphasigen Anordnungen bekannt, wobei die Leistungshalbleiterschalter üblicherweise auf einem DCB-Substrat (direct copper bonded) angeordnet sind und mittels Kontaktelementen (beispielsweise Kontaktfedern) mit der weiteren Schaltungsumgebung der mehrphasigen Anordnung elektrisch verbunden sind. Entsprechend dem zu erwartetem Laststrom und dem Stromtragvermögen der Kontaktelemente müssen zur elektrischen Kontaktierung der Zwischenkreisspannung üblicherweise zwei oder mehr parallele Kontaktelemente pro Anschluss vorgesehen werden. Üblicherweise wird an den Kontaktelemente auch die Durchlassspannung des Leistungshalbleiterschalters (Drain-Source-Spannung beim MOSFET bzw. Kollektor-Emitter-Spannung beim IGBT) im Einschaltzustand erfasst und zur Kurzschlussüberwachung herangezogen (Entsättigungsüberwachung). Die Kontaktelemente und auch die elektrischen Verbindungen der DCB selbst, z.B. die als DC-Schienen bezeichneten elektrischen Verbindungen, die die einzelnen Phasen miteinander und den jeweiligen Zwischenkreispotentialen (DC+ bzw. DC-) verbinden, beinhalten parasitäre Induktivitäten, die während der Schaltvorgänge der Leistungshalbleiterschalter, d.h. bei schnellen Stromänderungen, zu induzierten Spannungen führen, die sich wiederum als kurzzeitige Überhöhungen (Spikes) der erfassten Durchlassspannung auswirken. Dabei können die Spikes durch die gemeinsame Nutzung von Kontaktelementen auch an einem eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter einer anderen Phase auftreten, wodurch die Kurzschlussüberwachung dieses Leistungshalbleiterschalters einen solchen Spike als Kurzschluss interpretieren und Abschalten kann, was in der Regel auch eine ungewünschte Unterbrechung des Betriebs nach sich zieht.
Ein möglicher Weg zur Behebung dieses Nachteils besteht darin, zusätzliche Kontaktelemente vorzusehen, die ausschließlich zur Erfassung der Durchlassspannung direkt am Leistungshalbleiterschalter und außerhalb der Hauptstrompfade liegen, wodurch keine parasitären Induktivitäten wirken können und keine Spikes erfasst werden. Bei einer mehrphasigen Anordnung ist diese Lösung oftmals gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich, da diese eine noch höhere Zahl an Kontaktelementen erfordert, was die Komplexität des Aufbaus und der elektrischen Verbindungen weiter erhöht.
Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die in mehrphasigen Anordnungen vorgesehenen Leistungshalbleiterschalter durch eine in ihrem Aufbau weniger komplexe Überwachungseinrichtung vor hinlänglich langen Kurzschlusszuständen zu schützen und gleichzeitig ein ungewünschtes Abschalten aufgrund zeitlich sehr kurzer Störungen, d.h. so genannten Spikes, zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Überwachungsschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter, welche eine Kurzschlussüberwachungseinrichtung, eine der Kurzschlussüberwachungseinrichtung nachgeschaltete Filtereinrichtung und eine der Filtereinrichtung nachgeschaltete Freigabeeinrichtung umfasst, wobei die Kurzschlussüberwachungseinrichtung eine Fehlerdetektionseinheit und einen der Fehlerdetektionseinheit vorgeschalteten Hochspannungsschutz aufweist, wobei die Filtereinrichtung eine Verzögerungseinheit aufweist und wobei die Freigabeeinrichtung die Weiterleitung der von der Verzögerungseinheit ausgegebenen Spannung von mindestens einer weiteren Freigabebedingung abhängig macht.
Vorteilhaft ist, wenn die Kurzschlussüberwachungseinrichtung einen Komparator aufweist, wobei der Komparator einen ersten Eingang (INS), der mit dem vorgeschalteten Hochspannungsschutz verbunden ist, einen zweiten Eingang, einen Ausgang (OUT) und Versorgungsanschlüsse (VS+, VS-) für eine Versorgungsspannung aufweist.
Vorteilhaft ist auch, wenn der Hochspannungsschutz eine dem ersten Eingang (INS) des Komparators vorgeschaltete Hochspannungsdiode aufweist, wobei die Anode der Hochspannungsdiode mit dem ersten Eingang (INS) des Komparators und die Kathode mit einem Drain- oder Kollektoranschluss des Leistungshalbleiterschalters verbunden ist.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn am Ausgang (OUT) des Komparators ein Fehlersignal anliegt, wenn die Eingangsspannung am ersten Eingang (INS) des Komparators größer als eine Referenzspannung am zweiten Eingang (V_REF) des Komparators ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Filtereinrichtung einen invertierenden oder nicht invertierenden Schmitt-Trigger, einem dem Schmitt-Trigger vorgeschalteten Kondensator, der mit dem Schmitt-Trigger-Eingang und der negativen Betriebsspannung VS- verbunden ist und mehrere zueinander in Reihe geschaltete und dem invertierenden oder nicht invertierenden Schmitt-Trigger und dem Kondensator vorgeschaltete Transistoren aufweist, wobei zwei der Transistoren an ihrem Gate das Ausgangssignal des Komparators erhalten, wobei mindestens ein weiterer Transistor eine Konstantspannung am Gate erhält und wobei das Drain (D) der jeweiligen Transistoren dem Eingang des Schmitt-Triggers vorgeschaltet ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die in Reihe geschalteten Transistoren als p- bzw. n-Kanal-MOSFETs ausgeführt sind, wobei ein p-Kanal-MOSFET (pMOS) und ein erster n-Kanal-MOSFET (nMOS1) jeweils an ihrem Gate das Ausgangssignal des Komparators als Eingangssignal erhalten und ein zweiter n-Kanal MOSFET (nMOS2) an seinem Gate eine Konstantspannung erhält, wobei vorzugsweise der zweite n-Kanal MOSFET (nMOS2) über sein Drain an Source des ersten n-Kanal MOSFET (nMOS1) geschaltet ist.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die in Reihe geschalteten Transistoren als p- bzw. n-Kanal-MOSFETs ausgeführt sind, wobei ein n-Kanal-MOSFET (nMOS) und ein erster p-Kanal-MOSFET (pMOS1) jeweils an ihrem Gate das Ausgangssignal des Komparators als Eingangssignal erhalten und ein zweiter p-Kanal MOSFET (pMOS2) an seinem Gate eine Konstantspannung erhält, wobei vorzugsweise der zweite p-Kanal MOSFET (pMOS2) über sein Drain an Source des ersten p-Kanal MOSFET (pMOS1) geschaltet ist.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Signalfreigabeschaltung als ein der Filtereinrichtung nachgeschaltetes UND-Gatter ausgeführt ist, welches geeignet ist, ein Fehlersignal dann auszugeben, wenn neben dem aus der Filtereinrichtung ausgegebenen Signal an einem ersten Eingang des UND-Gatters an einem mindestens einem weiteren Eingang des UND-Gatters mindestens eine weitere Bedingung zur Ausgabe des Fehlersignals vorliegt, wobei eine der weiteren Bedingungen vorzugsweise ein Statussignal ist, welches nach Ablauf der Ausblendzeit seinen Signalpegel ändert, die mit dem Start des Schaltvorgangs des Leistungshalbleiterschalters abzulaufen beginnt.
Bevorzugt ist, wenn die anliegende Referenzspannung am zweiten Eingang (V_REF) des Komparators so bemessen ist, dass die Spannung an beiden Eingängen (INS, V_REF) des Komparators gleich groß ist, wenn eine Drain-Source-Spannung bei einem MOSFET bzw. Kollektor-Emitter-Spannung bei einem IGBT des Leistungshalbleiterschalters im Einschaltzustand einen Wert erreicht hat, der von der Kurzschlussüberwachungseinrichtung als abzuschaltenden Kurzschluss zu interpretieren ist.
Bevorzugt ist außerdem, wenn eine maximale Filterzeit nach dem Typ und dem Anforderungsprofil des zu überwachenden Leistungshalbleiterschalters festgelegt ist, wobei die Überwachungsschaltung vorzugsweise geeignet ist für einen Silizium MOSFET eine maximale Filterzeit von 1,5 µs bis 3,0 µs, für einen SiC basierenden MOSFET eine Filterzeit von 1,0 µs bis 3,0 µs und für einen IGBT eine maximale Filterzeit von 1,5 µs bis 7,0 µs festzulegen ist, wobei äußerst vorzugsweise von den maximalen Filterzeiten ein Sicherheitszeitraum von beispielsweise 0,25 µs, 0,35 µs oder 0,5 µs abzuziehen ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters mit einer Überwachungsschaltung gelöst, wobei das Verfahren zur Überwachung die Schritte aufweist: a) Im zeitlichen Verlauf der Spannung über dem überwachten Leistungshalbleiterschalter tritt eine Spannungsspitze auf, b) Der Hochspannungsschutz, schützt den Komparator der Überwachungsschaltung, also die Kurzschlussüberwachungseinrichtung, die daran nachgeschaltete Filtereinrichtung und die sich an die Filtereinrichtung anschließende Freigabeeinrichtung vor zu hohen Spannungen, wobei bei hinreichend niedrigen Durchlassspannungen des Leistungshalbleiterschalters die Diode in den Durchlasszustand übergeht, c) Als Kurzschlussüberwachungseinrichtung wird vorzugsweise ein Komparator verwendet, dem neben der Spannung am ersten Eingang (INS) an einem zweiten Eingang (V_REF) eine einstellbare Referenzspannung zugeführt wird, wobei die Spannungen am ersten Eingang (INS) und am zweiten Eingang (V_REF) miteinander verglichen werden, wobei am Ausgang (OUT) des Komparators eine Spannung ausgegeben wird, wenn die Spannung am ersten Eingang (INS) die Referenzspannung am zweiten Eingang (V_REF) übersteigt, d) Das von der Kurzschlussüberwachungseinrichtung ausgegebene Signal wird an den Eingang einer Filtereinrichtung weitergeleitet, wobei zwischen dem Eingang und einem Kondensator, der einem Schmitt-Trigger vorgeschaltet ist, eine in Reihe geschaltete Anordnung mehrerer Halbleiterschalter geschaltet ist, wobei einer der Halbleiterschalter einen Anschluss für eine Konstantspannung aufweist, e) Je nach Vorliegen oder Nichtvorliegen eines vom Komparator ausgegebenen Fehlersignals wird der dem Schmitt-Trigger vorgeschaltete Kondensator umgeladen, wobei bei einem Fehlersignal das Umladen des Kondensators, bedingt durch den vorgegebenen konstanten Ladestrom durch den zweiten nMOS bzw. zweite pMOS, verzögert wird und umgekehrt beim Wechsel auf einen Nichtfehlerzustand der Kondensator unmittelbar ohne nennenswerte Verzögerung umgeladen wird, f) Wobei der Schmitt-Trigger bei einem „HIGH“ als Fehlersignal als invertierender Schmitt-Trigger ausgeführt ist und entsprechend ausgelöst wird, wenn die Kondensatorspannung einen unteren Schwellenwert unterschreitet bzw. bei einem „LOW“ als Fehlersignal als nicht-invertierender Schmitt-Trigger ausgeführt ist und entsprechend ausgelöst wird, wenn die Kondensatorspannung einen oberen Schwellenwert überschreitet, g) Eine durch den Schmitt-Trigger getriggerte Spannung wird an einen ersten Eingang der Freigabeeinrichtung weitergeleitet , wobei an mindestens einem weiteren Eingang der Freigabeschaltung ein weiteres Signal zugeführt wird, wobei vorzugsweise die Freigabeeinrichtung als UND-Gatter ausgeführt ist und die Freigabe eines Fehlersignals von einer Fehlersignalausgabe der Filtereinheit und dem Überschreiten eines zeitlichen Schwellenwerts abhängig macht.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters mit einer Überwachungsschaltung, wobei in Schritt d) drei Halbleiterschalter in Reihe geschaltet und dem Kondensator und einem invertierenden Schmitt-Trigger vorgeschaltet sind, wobei an den Gates eines pMOS und eines zum pMOS an den Drains verbundenen ersten nMOS jeweils die Eingangsspannung anliegt, wobei am Source des ersten nMOS das Drain eines zweiten nMOS angeschlossen ist, an dessen Gate eine Konstantspannung anliegt, über die der Konstantstrom festgelegt wird, mit welchem der zweite nMOS den Kondensator umlädt, wenn ein HIGH am Eingang vorliegt, wobei der invertierende Schmitt-Trigger ein Fehlersignal (HIGH) an die Freigabeeinrichtung abgibt wenn der untere Schwellenwert des invertierenden Schmitt-Triggers unterschritten wird.
Besonders bevorzugt ist außerdem ein Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters mit einer Überwachungsschaltung, wobei in Schritt d) drei Halbleiterschalter in Reihe geschaltet und dem Kondensator und einem Schmitt-Trigger vorgeschaltet sind, wobei an den Gates eines nMOS und eines zum nMOS an den Drains verbundenen ersten pMOS jeweils die Eingangsspannung anliegt, wobei am Source des ersten pMOS das Drain eines zweiten pMOS angeschlossen ist, an dessen Gate eine Konstantspannung anliegt, über die der Konstantstrom festgelegt wird, mit welchem der zweite pMOS den Kondensator umlädt, wenn ein LOW (Fehler) am Eingang vorliegt, wobei der Schmitt-Trigger ein Fehlersignal (HIGH) an die Freigabeeinrichtung abgibt wenn der obere Schwellenwert des Schmitt-Triggers überschritten wird.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung oder von jeweiligen Teilen hiervon. Es zeigen

1 einen schematischen Aufbau der Kurzschlussüberwachungsschaltung zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters,
2 einen schematischen Aufbau der Filtereinheit nach einer Ausführungsform der Erfindung,
3 einen schematischen Aufbau der Filtereinheit nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
4A eine schematische Darstellung eines dreiphasigen Umrichters mit einer Anordnung von 9 Kontaktelementen zur Kurzschlussüberwachung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik,
4B eine schematische Darstellung eines dreiphasigen Umrichters mit einer Anordnung von 5 Kontaktelementen zur Kurzschlussüberwachung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik,
5 eine Simulation der V_DS-Überwachung bei einem nachgestellten Einschaltvorgang und einer Störung auf DESAT nach der Ausblendzeit ohne Filtereinheit,
6 eine Simulation der V_DS-Überwachung bei einem nachgestellten Einschaltvorgang und einer Störung auf DESAT nach der Ausblendzeit mit einer Filtereinheit,
7 eine Simulation der Reaktion der Schaltung auf einen Kurzschluss (Spannungssprung an DESAT) und verzögerter Ausgabe des Fehlers durch eine Filtereinheit am Ausgang der Schaltung (VDS_FAULT).

In der nachfolgenden Beschreibung zu den Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Darstellungen in den Figuren sind als schematisch anzusehen. Des Weiteren wird der Fachmann erkennen, dass einzelne selbstverständliche Merkmale in den Darstellungen fehlen können, während andere Merkmale besonders herausgehoben sind. Ferner sollen sich die Ausführungen zu Vorrichtungen stets auch auf Verfahren beziehen und umgekehrt sind Verfahrensmerkmale stets auch als durch Vorrichtungsmerkmale realisiert zu betrachten.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, gleichgültig ob sie im Rahmen der Beschreibung der Ansprüche oder in den Figuren offenbart sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
1 zeigt eine Übersicht der Überwachungsschaltung (10), wobei für die Filtereinheit 400 kein detaillierter Aufbau dargestellt ist. Der genaue Aufbau der Filtereinheit 400 kann für zwei Ausführungsformen den 2 und 3 entnommen werden. Der zu überwachende Leistungshalbleiterschalter 100 ist über einen Überspannungsschutz, hier über eine Hochspannungsdiode mit dem Eingang INS, 310 eines Komparators 301 verbunden, wobei eine zusätzliche Spannungsquelle 210 an dem Eingang INS, 310 des Komparators geschaltet ist. Der Komparator 301 weist neben seinem Eingang 310 und Versorgungeingängen, einen zweiten Eingang V_REF, 320 und einen Ausgang OUT, 330 auf. Der Komparator 301 kann entsprechend der nachgeschalteten Filtereinheit 400 unterschiedlich ausgelegt sein und bei einem Eingangssignal, welches höher ist als das Signal am zweiten Eingang 320 des Komparators einen Fehler erkennen und eine entsprechende Spannung HIGH oder LOW an seinem Ausgang 330 ausgeben. Dem Ausgang 330 des Komparators 301 nachgeschaltet ist eine Filtereinheit 400, die auch als Spike-Filter bezeichnet wird. Im Anschluss an die Filtereinheit ist eine Freigabeeinrichtung 500 nachgeschaltet, welche in der dargestellten Ausführungsform als UND-Gatter 501 ausgeführt ist. Das UND-Gatter 501 hat neben dem Eingang 510 für das Signal aus der Filtereinheit 400 noch einen weiteren Eingang 520, der für ein Freigabesignal verwendet wird, wobei das Freigabesignal vorzugsweise erst nach einer Ausblendzeit an den Eingang 520 der Freigabeeinrichtung angelegt wird. Falls sowohl das Fehlersignal als auch das Freigabesignal am UND-Gatter vorliegen, erzeugt das UND-Gatter an seinem Ausgang 530 ein Fehlersignal (VDS_fault).
In 2 ist ein möglicher Aufbau der Filtereinheit 400, die auch als Spike-Filter bezeichnet wird, dargestellt. Am Eingang der Filtereinheit 400 liegt die aus der Kurzschlusserkennungseinheit ausgegebene Eingangsspannung 401 an. Die Eingangsspannung wird an in Reihe geschaltete Transistoren 410 geführt, wobei in der dargestellten Ausführungsform ein pMOS 411 und ein erster nMOS 415 die Eingangsspannung 401 an ihren jeweiligen Gates 414, 418 erhalten. Ein weiterer nMOS 419 erhält an seinem Gate 422 eine Konstantspannung I_REF 402. Die Transistoren 410 sind nach dem Prinzip der Reihenschaltung über Ihre Drains 412, 417, 421 und Source 416 miteinander verknüpft, wobei das Drain 412 des pMOS 411 mit dem Drain 417 des ersten nMOS 415 verbunden ist und das Drain 421 des zweiten nMOS 419 mit dem Source 416 des ersten nMOS 415. Die in Reihe geschalteten Transistoren werden durch einen Versorgungsstromkreis (VS+, VS-) mit elektrisch versorgt, wobei ein VS+ Anschluss am Source 413 des pMOS 411 angeordnet ist und ein VS- Anschluss am Source 420 des zweiten nMOS 419 angeordnet ist.
Zwischen den Drains 412, 417 des pMOS 411 und des ersten nMOS 415 befindet sich ein Ausgang, dem wiederum ein invertierender Schmitt-Trigger 460 nachgeschaltet ist. Dem invertierenden Schmitt-Trigger 460 vorgeschaltet ist ein Kondensator 450, wobei ein Anschluss des Kondensators 450 mit dem Eingang des Schmitt-Triggers und der andere Eingang mit VSverbunden ist.
Die Konstantspannung I_REF am Gate 422 des Transistors nMOS2 419 liegt an. Somit arbeitet nMOS2 419 als Konstantstromquelle, wenn die Ausgangsspannung des Komparators bzw. die Eingangsspannung 401 der Filtereinheit 400 den Zustand HIGH ausgibt, d.h. nMOS1 415 ist geöffnet. Der Kondensator 450 wird in diesem Fall mit einem Konstantstrom entsprechend der Längen- und Weitenverhältnisse des Transistors, sowie der konstanten Gatespannung des nMOS2 419 umgeladen.
Gibt der Komparator kein Fehlersignal aus und beträgt somit die Ausgangsspannung des Komparators bzw. die Eingangsspannung 401 der Filtereinheit 400 beispielweise 0 V ist der pMOS 411 eingeschaltet und der erste nMOS 415 ausgeschaltet. Somit wird der Kondensator 450 über den Strompfad von Versorgungsspannung VS+ über den eingeschalteten pMOS 411geladen. Der invertierende Schmitt-Trigger 460 ist bzw. bleibt in seiner LOW-Stellung.
Wird vom Komparator ein Fehlersignal abgegeben und dessen Ausgangsspannung bzw. Eingangsspannung 401 der Filtereinheit 400 beträgt zum Beispiel 5V (HIGH-Pegel bei einer Betriebsspannung von 5V, wird der pMOS 411 geschlossen und der erste nMOS 415 geöffnet. Demnach kann die Versorgungsspannung VS+ nicht mehr an den Kondensator 450 durchgeleitet werden, vielmehr wird der Kondensator 450 entsprechend des eingestellten Konstantstroms langsam über das dem zweiten nMOS 419 nachgeschaltete VS- entladen. Wird der Kondensator 450 hinreichend lange aufgrund eines andauernden Fehlersignals des Komparators entladen, wird ein Schwellenwert unterschritten, der den invertierenden Schmitt-Trigger auslöst und diesen in seine HIGH-Stellung versetzt. Erst jetzt wird das Fehlersignal des Komparators an den Ausgang 403 der Filtereinheit 400 durchgeleitet und erreicht die Freigabeeinrichtung (nicht in 2 dargestellt). Die Filtereinheit 400 wirkt somit einerseits verzögernd, d.h. Signale werden nicht unmittelbar weitergeleitet, und andererseits filternd, d.h. innerhalb des Verzögerungszeitraums wieder hinreichend abklingende Signale werden komplett unterdrückt.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Filtereinheit dargestellt, welche als Alternative zu der in 2 dargestellten Filtereinheit in dem Fall verwendet wird, wenn der Komparator im Fehlerfall ein LOW-Signal anstatt eines HIGH-Signals ausgibt. Anzumerken ist, dass nur die Bezugszeichen mit einem „”versehen wurden, die sich baulich bzw. schaltungstechnisch von ihren in 2 dargestellten Bauteilen unterscheiden. Für eine Fehlererkennung bei welcher der Komparator LOW-Pegel als Fehler ausgibt muss die Filtereinheit in komplementärer Weise aufgebaut sein, damit der Kondensator 450 schnell über den nMOS entladen werden kann und langsam über den pMOS1 in Verbindung mit dem pMOS2, welcher in diesem Fall als Konstantstromquelle wirkt, geladen werden kann. Bei hinreichender Aufladung des Kondensators 450 löst der (nicht-invertierende) Schmitt-Trigger 460' aus und geht von seiner LOW-Stellung in seine HIGH-Stellung und gibt über seinen Ausgang 462 bzw. den Ausgang der Filtereinheit 462 eine Fehlerspannung an die Freigabeeinrichtung (nicht in 3 dargestellt) weiter.
Die 4A und 4B zeigen einen dreiphasigen 140, 140a, 140b Umrichter mit einer Anordnung von sechs Leistungshalbleiterschaltern 110. Um die Durchlassspannung der Leistungshalbleiterschalter, zum Zwecke der Kurzschlusserkennung, ohne Beeinflussung der auftretenden Spannungsspitzen (Spikes) auswerten zu können, muss für jeden Leistungshalbleiterschalter ein separater Kontakt für einen direkteren Abgriff der Durchlassspannung vorgesehen werden. Somit müssten für eine hinreichende Erkennung von Kurzschlüssen bei dem dreiphasigen Umrichter mit den Phasen 140, 140a, 140b, wie in der 4A jeweils mit X markiert, insgesamt neun Kontaktelementen als Kontakte 150 eingesetzt werden. Durch die Kurzschlusserkennung nach der vorliegenden Erfindung wird jedoch für den Anschluss des Zwischenkreises an die DC Schienen 120, 130 jeweils lediglich eine gemeinsame Kontaktfeder für alle drei Phasen benötigt, da die durch die parasitären Induktivitäten der gemeinsamen Kontaktelementen und der DC Schienen selbst induzierten Spannungsimpulse 170, welche auf Stromsprüngen 160 resultieren, (wie in 4B beispielsweise bei der Stromkommutierung in der Phase 2 vom TOP- auf den BOTTOM-Schalter dargestellt) von der erfindungsgemäßen Kurzschlussüberwachungsschaltung ausgefiltert werden. Somit reichen, wie es in 4B dargestellt ist, 5 Kontaktelementen 150 aus und an den jeweiligen Positionen 1 und 2 150' sind keine Kontaktelementen notwendig.
Der erzielte Vorteil ist bei komplexeren Umrichtern mit größerer Anzahl der Phasen zunehmend größer. So werden bei einem sechsphasigen Umrichter anstatt jeweils sechs Kontaktelementen 150 für die DC+ Schiene 120 und die DC- Schiene 130 insgesamt nur zwei Kontaktelemente, eine für die DC+ Schiene 120 und eine für die DC-Schiene 130, benötigt. Die Anzahl der Federn 150 bei den Ausgängen der einzelnen Phasen ändert sich nicht, sodass bei einem sechsphasigen Umrichter insgesamt acht Federn anstatt 18 Federn anzuordnen sind, um eine ausreichende Kurzschlussüberwachung sicherzustellen.
Allgemein ergibt sich eine Verringerung der Anzahl der Federn für eine n-phasigen Umrichter ausgehend von 3n (mit n als Anzahl der Phasen) im Stand der Technik hin zu n+2 mit Kurzschlussüberwachung nach der vorliegenden Erfindung. Damit ergibt sich für jeden mehrphasigen Umrichter ein konstruktiver Vorteil, der mit zunehmender Zahl der Phasen proportional an Gewicht gewinnt.
Eine Simulation einer Überwachung des Ausgangs der Freigabeeinrichtung (V_DS) bei einem nachgestellten Einschaltvorgang (Zeit von t1 bis t2) und einer Störung an einem DESAT-Eingang nach Ablauf der Ausblendzeit bei 4,5 µs ist ohne Filtereinheit in 5 und mit einer Filtereinheit in 6 dargestellt. Der Anschluss zur Erfassung der Drain-Source-Spannung des Leistungshalbleiterschalters wird mit DESAT bezeichnet, wobei DESAT eine Abkürzung, für das englische Wort „desaturation“ also Entsättigung ist und für das Ansteigen der Durchlassspannung des Leistungshalbleiterschalters bei sehr hohen Strömen, d.h. im Kurzschlussfall, verwendet wird. Die oberste Auftragung zeigt den Verlauf der Drain-Source-Spannung eines Leistungshalbleiterschalters beim Einschalten. Mit Beginn des Einschaltvorgangs beginnt die Drain-Source-Spannung des Zwischenkreispotentials (hier 20V) abzusinken. Die Spannung am ersten Eingang des Komparators INS 310 verharrt bedingt durch die sperrende Hochspannungsschutzdiode so lange auf Potential VS+ bis die Drain-Source-Spannung eine Dioden-Flussspannung (ca. 1V) unter VS+ absinkt, wodurch die Diode in Flussrichtung betrieben wird. Etwa 1 µs nach Beginn des Einschaltvorgangs unterschreitet das Potential INS die Referenzspannung (hier 3V), wodurch der Komparator-Ausgang (OUT_Comp) von HIGH (Fehler) auf LOW (kein Fehler) wechselt. Zwei µs nach Beginn des Einschaltvorgangs läuft die vorgegebene Ausblendzeit ab (t2) und über ein HIGH-Signal am Enable-Eingang EN wird die Freigabeschaltung (UND-Gatter) freigegeben und das Ergebnis der Komparatorauswertung wird an den Ausgang der Überwachungsschaltung (VDS_fault) weitergegeben. Zum Zeitpunkt t3 tritt ein Spannungsstörimpuls an DESAT auf, wodurch auch das Potential am ersten Eingang INS des Komparators zeitweise auf einen Wert angehoben wird, der über der Referenzspannung am zweiten Komparatoreingang Vref liegt. Der Komparator reagiert unmittelbar mit einem Wechsel des Ausgangszustands auf HIGH (Fehler) und das Fehlersignal wird unmittelbar an den freigegebenen Ausgang (EN ist HIGH) weitergegeben. Der generierte Fehlerimpuls an VDS_fault ist mit ca. 0,5 µs (Ende des Pulses bei t4) ausreichend lang, um ein ungewünschtes Abschalten des Leistungshalbleiterschalter und eine Unterbrechung des Betriebs hervorzurufen.
Während in 5 das Ausgangssignal des Komparators direkt an die Freigabeeinrichtung weitergeleitet wird, muss es in der Simulation nach 6 erst die Filtereinheit durchlaufen. In 6 ist der Zeitverlauf der Spannung am Kondensator (V_C) der Filtereinheit dargestellt. Man kann erkennen, dass der Kondensator mit Auftreten des Störsignals (Komparatorausgang OUT_Comp wechselt auf HIGH (Fehler)) langsam entladen wird. Die Länge des Störsignals ist aber nicht so lang, dass die Kondensatorspannung die untere Schmitt-Trigger-Schwelle erreicht, so dass das zeitweilige Fehlersignal am Komparatorausgang (OUT_Comp) nicht an den Ausgang des Schmitt-Triggers und damit auch nicht an den Ausgang der Überwachungsschaltung übergeben wird. Die Filtereinheit unterdrückt somit das Störsignal in voller Länge und arbeitet somit in beabsichtigter Weise.
In 7 wird die Reaktion der Überwachungsschaltung auf einen (tatsächlichen) Kurzschluss, d.h. einem Spannungssprung an DESAT und der verzögerten Ausgabe des Fehlersignals aufgrund der Filtereinheit am Ausgang VDS_fault der Überwachungsschaltung dargestellt. Zum Zeitpunkt t5, der deutlich nach dem Einschaltvorgang und Ablauf der Ausblendzeit liegt, wird ein Spannungssprung auf DESAT gegeben und die Spannung auf 4V angehoben. Somit liegt auch die Komparatorspannung über der Referenzspannung Vref (3V) und der Komparator liefert ein Fehlersignal (HIGH) an die Filtereinheit, dessen Kondensatorspannung V_C beginnt abzunehmen. Bei t6 hat die Kondensatorspannung V_C so weit abgenommen, dass die untere Schmitt-Trigger-Schwelle erreicht wird und, da EN HIGH ist, wird das Fehlersignal an die Freigabeeinrichtung direkt an den Ausgang der Überwachungsschaltung (VDS_fault) weitergegeben. Die Verzögerung des Fehlersignals durch die Filtereinrichtung beträgt hier ca. 0,8 µs, was hinreichend schnell ist, um einen wirksamen Kurzschlussschutz des zu überwachten Leistungshalbleiterschalter sicherzustellen.
Bezugszeichenliste

10: Überwachungsschaltung
100: Leistungshalbleiterschalter
110: einzelner Leistungshalbleiterschalter
120: DC+ Schiene
130: DC- Schiene
140: Ausgangsstrom Phase 1
140a: Ausgangsstrom Phase 2
140b: Ausgangsstrom Phase 3
150: (Position mit) Kontaktfeder
150': Position ohne Kontaktfeder
160: Stromsprung
170: Spannungsspitze
200: Hochspannungsdiode
210: Stromquelle
300: Kurzschlussüberwachungseinrichtung
301: Komparator
310: Eingang des Komparators
320: zweiter Eingang des Komparators
330: Ausgang des Komparators
340: Versorgungsanschluss des Komparators
400: Filtereinrichtung
400': Filtereinrichtung
401: Eingang der Filtereinrichtung
402: Referenzeingang der Filtereinrichtung
403: Ausgang der Filtereinrichtung
410: Halbleiterschalter
411: p-Kanal MOSFET
411': n-Kanal MOSFET
412: Drain
413: Source
414: Gate
415: erster n-Kanal MOSFET
415: erster p-Kanal MOSFET
416: Source
417: Drain
418: Gate
419: weiterer n-Kanal MOSFET
419': weiterer p-Kanal MOSFET
420: Source
421: Drain
422: Gate
450: Kondensator
460: invertierenderer Schmitt-Trigger
460': (nicht-invertierenderer) Schmitt-Trigger
462: Eingang des (nicht-)invertierenden Schmitt-Triggers
464: Ausgang des (nicht-)invertierenden Schmitt Triggers
500: Freigabeschaltung
501: UND-Gatter
510: Eingang der Freigabeschaltung aus der Filtereinrichtung
520: weiterer Eingang der Freigabeschaltung
530: Ausgang der Freigabeschaltung

Claims

Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter (100), welche eine Kurzschlussüberwachungseinrichtung, eine der Kurzschlussüberwachungseinrichtung (300) nachgeschaltete Filtereinrichtung (400) und eine der Filtereinrichtung (400) nachgeschaltete Freigabeeinrichtung (500) umfasst, wobei die Kurzschlussüberwachungseinrichtung (300) eine Fehlerdetektionseinheit und einen der Fehlerdetektionseinheit vorgeschalteten Hochspannungsschutz (200) aufweist, wobei die Filtereinrichtung (400) eine Verzögerungseinheit aufweist und wobei die Freigabeeinrichtung (500) die Weiterleitung der von der Verzögerungseinheit ausgegebenen Spannung von mindestens einer weiteren Freigabebedingung abhängig macht.
Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussüberwachungseinrichtung (300) einen Komparator (301) aufweist, wobei der Komparator (301) einen ersten Eingang (INS, 310), der mit dem vorgeschalteten Hochspannungsschutz verbunden ist, einen zweiten Eingang (V_REF, 320), einen Ausgang (OUT, 330) und Versorgungsanschlüsse (VS+, VS-) für eine Versorgungsspannung aufweist.
Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsschutz (200) eine dem ersten Eingang (INS, 310) des Komparators (301) vorgeschaltete Hochspannungsdiode (200) aufweist, wobei die Anode der Hochspannungsdiode (200) mit dem ersten Eingang (INS, 310) des Komparators (301) und die Kathode mit einem Drain- oder Kollektoranschluss (111) des Leistungshalbleiterschalters (100) verbunden ist.
Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 2 oder 3, der dazu ausgebildet ist, dass am Ausgang (OUT, 330) des Komparators ein Fehlersignal anliegt, wenn die Eingangsspannung am ersten Eingang (INS, 310) des Komparators (300) größer als eine Referenzspannung am zweiten Eingang (V_REF, 320) des Komparators (300) ist.
Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (400) einen invertierenden oder nicht invertierenden Schmitt-Trigger (460, 460'), einem dem Schmitt-Trigger (460, 460') vorgeschalteten Kondensator (450), der mit dem Schmitt-Trigger-Eingang und der negativen Betriebsspannung VS- verbunden ist und mehrere zueinander in Reihe geschaltete und dem invertierenden oder nicht invertierenden Schmitt-Trigger (460, 460') und dem Kondensator (450) vorgeschaltete Transistoren (410) aufweist, wobei zwei der Transistoren (410) an ihrem Gate (414, 418) das Ausgangssignal des Komparators (301) erhalten, wobei mindestens ein weiterer Transistor (410) eine Konstantspannung am Gate (422) erhält und wobei das Drain (D) der jeweiligen Transistoren (410) dem Eingang des Schmitt-Triggers (460) vorgeschaltet ist.
Überwachungsschaltung (10) für eine Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Transistoren (460) als p- bzw. n-Kanal-MOSFETs (411, 415) ausgeführt sind, wobei ein p-Kanal-MOSFET (pMOS, 411) und ein erster n-Kanal-MOSFET (nMOS1, 415) jeweils an ihrem Gate (414, 418) das Ausgangssignal des Komparators (300) als Eingangssignal (401) erhalten und ein zweiter n-Kanal MOSFET (nMOS2, 414) an seinem Gate (422) eine Konstantspannung (402) erhält, wobei vorzugsweise der zweite n-Kanal MOSFET (nMOS2, 419) über sein Drain (421) an Source (416) des ersten n-Kanal MOSFET (nMOS1, 415) geschaltet ist.
Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Transistoren (410) als p- bzw. n-Kanal-MOSFETs (411', 415', 419') ausgeführt sind, wobei ein n-Kanal-MOSFET (nMOS, 411') und ein erster p-Kanal-MOSFET (pMOS1, 415') jeweils an ihrem Gate (414, 418) das Ausgangssignal des Komparators (301) als Eingangssignal (401) erhalten und ein zweiter p-Kanal MOSFET (pMOS2, 419') an seinem Gate (422) eine Konstantspannung erhält, wobei vorzugsweise der zweite p-Kanal MOSFET (pMOS2, 419') über sein Drain (421) an Source (416) des ersten p-Kanal MOSFET (pMOS1, 415') geschaltet ist.
Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalfreigabeschaltung (500) als ein der Filtereinrichtung (400) nachgeschaltetes UND-Gatter (501) ausgeführt ist, welches geeignet ist, ein Fehlersignal dann auszugeben, wenn neben dem aus der Filtereinrichtung (400) ausgegebenen Signal an einem ersten Eingang des UND-Gatters (501) an einem mindestens einem weiteren Eingang des UND-Gatters (501) mindestens eine weitere Bedingung zur Ausgabe des Fehlersignals vorliegt, wobei eine der weiteren Bedingungen vorzugsweise ein Statussignal ist, welches nach Ablauf der Ausblendzeit seinen Signalpegel ändert, die mit dem Start des Schaltvorgangs des Leistungshalbleiterschalters (100) abzulaufen beginnt.
Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die anliegende Referenzspannung am zweiten Eingang (V_REF, 320) des Komparators (301) so bemessen ist, dass die Spannung an beiden Eingängen (INS, V_REF, 310, 320) des Komparators gleich groß ist, wenn eine Drain-Source-Spannung bei einem MOSFET bzw. Kollektor-Emitter-Spannung bei einem IGBT des Leistungshalbleiterschalters (100) im Einschaltzustand einen Wert erreicht hat, der von der Kurzschlussüberwachungseinrichtung als abzuschaltenden Kurzschluss zu interpretieren ist.
Überwachungsschaltung (10) für einen Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Filterzeit nach dem Typ und dem Anforderungsprofil des zu überwachenden Leistungshalbleiterschalters (100) festgelegt ist, wobei die Überwachungsschaltung (10) vorzugsweise geeignet ist für einen Silizium MOSFET eine maximale Filterzeit von 1,5 µs bis 3,0 µs, für einen SiC basierenden MOSFET eine Filterzeit von 1,0 µs bis 3,0 µs und für einen IGBT eine maximale Filterzeit von 1,5 µs bis 7,0 µs festzulegen ist, wobei äußerst vorzugsweise von den maximalen Filterzeiten ein Sicherheitszeitraum von beispielsweise 0,25 µs, 0,35 µs oder 0,5 µs abzuziehen ist.
Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters mit einer Überwachungsschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren zur Überwachung die Schritte aufweist: a) Im zeitlichen Verlauf der Spannung über dem überwachten Leistungshalbleiterschalter (100) tritt eine Spannungsspitze auf, b) Der Hochspannungsschutz (200), schützt den Komparator der Überwachungsschaltung, also die Kurzschlussüberwachungseinrichtung (300), die daran nachgeschaltete Filtereinrichtung (400) und die sich an die Filtereinrichtung (400) anschließende Freigabeeinrichtung (500) vor zu hohen Spannungen, wobei bei hinreichend niedrigen Durchlassspannungen des Leistungshalbleiterschalters (100) die Diode in den Durchlasszustand übergeht, c) Als Kurzschlussüberwachungseinrichtung (300) wird vorzugsweise ein Komparator (301) verwendet, dem neben der Spannung am ersten Eingang (INS, 310) an einem zweiten Eingang (V_REF, 320) eine einstellbare Referenzspannung zugeführt wird, wobei die Spannungen am ersten Eingang (INS, 310) und am zweiten Eingang (V_REF, 320) miteinander verglichen werden, wobei am Ausgang (OUT, 330) des Komparators (301) eine Spannung ausgegeben wird, wenn die Spannung am ersten Eingang (INS, 310) die Referenzspannung am zweiten Eingang (V_REF, 320) übersteigt, d) Das von der Kurzschlussüberwachungseinrichtung (300) ausgegebene Signal wird an den Eingang (401) einer Filtereinrichtung (400) weitergeleitet, wobei zwischen dem Eingang (401) und einem Kondensator (450), der einem Schmitt-Trigger (460, 460') vorgeschaltet ist, eine in Reihe geschaltete Anordnung mehrerer Halbleiterschalter (410) geschaltet ist, wobei einer der Halbleiterschalter (410) einen Anschluss für eine Konstantspannung (402) aufweist, e) Je nach Vorliegen oder Nichtvorliegen eines vom Komparator (301) ausgegebenen Fehlersignals wird der dem Schmitt-Trigger (460, 460') vorgeschaltete Kondensator (450) umgeladen, wobei bei einem Fehlersignal das Umladen des Kondensators, bedingt durch den vorgegebenen konstanten Ladestrom durch den zweiten nMOS (419) bzw. zweite pMOS (419'), verzögert wird und umgekehrt beim Wechsel auf einen Nichtfehlerzustand der Kondensator unmittelbar ohne nennenswerte Verzögerung umgeladen wird, f) Wobei der Schmitt-Trigger bei einem „HIGH“ als Fehlersignal als invertierender Schmitt-Trigger ausgeführt ist und entsprechend ausgelöst wird, wenn die Kondensatorspannung (450) einen unteren Schwellenwert unterschreitet bzw. bei einem „LOW“ als Fehlersignal als nicht-invertierender Schmitt-Trigger (460') ausgeführt ist und entsprechend ausgelöst wird, wenn die Kondensatorspannung (450) einen oberen Schwellenwert überschreitet, g) Eine durch den Schmitt-Trigger (460, 460') getriggerte Spannung wird an einen ersten Eingang (510) der Freigabeeinrichtung (500) weitergeleitet, wobei an mindestens einem weiteren Eingang (520) der Freigabeschaltung (500) ein weiteres Signal zugeführt wird, wobei vorzugsweise die Freigabeeinrichtung (500) als UND-Gatter (501) ausgeführt ist und die Freigabe eines Fehlersignals von einer Fehlersignalausgabe der Filtereinheit (400) und dem Überschreiten eines zeitlichen Schwellenwerts abhängig macht.
Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters mit einer Überwachungsschaltung nach Anspruch 11, wobei in Schritt d) drei Halbleiterschalter (410) in Reihe geschaltet und dem Kondensator (450) und einem invertierenden Schmitt-Trigger (460) vorgeschaltet sind, wobei an den Gates (414, 418) eines pMOS (411) und eines zum pMOS (411) an den Drains (412, 417) verbundenen ersten nMOS (415) jeweils die Eingangsspannung (401) anliegt, wobei am Source des ersten nMOS (415) das Drain eines zweiten nMOS (419) angeschlossen ist, an dessen Gate (422) eine Konstantspannung (402) anliegt, über die der Konstantstrom festgelegt wird, mit welchem der zweite nMOS (419) den Kondensator (450) umlädt, wenn ein HIGH am Eingang vorliegt, wobei der invertierende Schmitt-Trigger (460) ein Fehlersignal (HIGH) an die Freigabeeinrichtung (500) abgibt wenn der untere Schwellenwert des invertierenden Schmitt-Triggers (460) unterschritten wird.
Verfahren zur Überwachung eines Leistungshalbleiterschalters mit einer Überwachungsschaltung nach Anspruch 12, wobei in Schritt d) drei Halbleiterschalter (410) in Reihe geschaltet und dem Kondensator (450) und einem Schmitt-Trigger (460') vorgeschaltet sind, wobei an den Gates (414, 418) eines nMOS (411') und eines zum nMOS (411') an den Drains (412, 417) verbundenen ersten pMOS (415') jeweils die Eingangsspannung (401) anliegt, wobei am Source (416) des ersten pMOS (415') das Drain (421) eines zweiten pMOS (419') angeschlossen ist, an dessen Gate (422) eine Konstantspannung (402) anliegt, über die der Konstantstrom festgelegt wird, mit welchem der zweite pMOS (415') den Kondensator (450) umlädt, wenn ein LOW (Fehler) am Eingang vorliegt, wobei der Schmitt-Trigger (460') ein Fehlersignal (HIGH) an die Freigabeeinrichtung (500) abgibt wenn der obere Schwellenwert des Schmitt-Triggers (460') überschritten wird.