DE102023000666A1

DE102023000666A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betätigen eines elektronischen Schalters in einem Fehlerfall

Info

Publication number: DE102023000666A1
Application number: DE102023000666.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Ebli
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-02-24
Filing date: 2023-02-24
Publication date: 2024-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Betätigen eines elektronischen Schalters (10) in einem Fehlerfall, insbesondere eines Halbleiterschalters (10) einer Halbbrücke (202, 204, 206) einer Leistungselektronik (200), wobei der elektronische Schalter (10) eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten elektrischen Pegel (210) und einem zweiten elektrischen Pegel (212) schaltet und wenigstens einen ersten Transistor (12) und einen zweiten Transistor (14) umfasst. Die Vorrichtung (100) umfasst wenigstens eine Steuereinrichtung (20) zum Ansteuern des ersten und des zweiten Transistors (12, 14), eine Sensoreinrichtung (30) zum Bestimmen eines elektrischen Stroms (13) durch wenigstens den ersten Transistor (12) und/oder einer Temperatur des elektronischen Schalters (10), sowie eine Regeleinrichtung (40), welche mit der Sensoreinrichtung (30) elektrisch gekoppelt ist und wenigstens eine Rückkopplungsverbindung (42) zur Steuereinrichtung (20) oder zur Ansteuerverbindung (22) der Steuereinrichtung (20) aufweist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung (100).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines elektronischen Schalters in einem Fehlerfall, insbesondere eines Halbleiterschalters einer Halbbrücke einer Leistungselektronik sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
Leistungselektronik zur Ansteuerung eines Elektromotors, beispielsweise für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, weist üblicherweise Halbbrücken mit Leistungshalbleitern wie beispielsweise SiC-MOSFET auf. Für einen dreiphasigen Elektromotor werden dabei drei Halbbrücken benötigt. Diese Leistungshalbleiter müssen vor unzulässigen Betriebszuständen geschützt werden. Ein kritischer Zustand ist beispielsweise der Kurzschluss einer Halbbrücke. Der Zustand des Kurzschlusses muss schnell und sicher erkannt werden, da der Halbleiter sonst sehr heiß werden und zerstört werden kann. Der Halbleiter sollte möglichst schnell wieder in einen sicheren Zustand geführt werden.
Verschiedene Verfahren zur Überwachung einer Leistungselektronik auf Kurzschluss und zur Temperaturbestimmung von Halbleitern sind bekannt.
Die EP 3 608 644 A1 offenbart eine Leistungshalbleiterschaltung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur, insbesondere Übertemperatur, eines Leistungshalbleiterelements. Die Schaltung weist das Leistungshalbleiterelement und einen Temperatursensor auf, wobei das Leistungshalbleiterelement eine Gate-Elektrode zum Ansteuern des Leistungshalbleiterelements, eine Kollektorelektrode und eine Emitter-Elektrode aufweist. Die Emitter-Elektrode ist mit einem ersten Emitter-Anschluss elektrisch verbunden und der Temperatursensor weist einen ersten Messpunkt mit einem Messanschluss und einen zweiten Messpunkt auf. Der zweite Messpunkt ist an die Emitter-Elektrode elektrisch angeschlossen, so dass zwischen dem Messanschluss und dem ersten Emitter-Anschluss eine über den Temperatursensor abfallende Spannung zur Temperaturmessung messbar ist.
Die EP 3 654 506 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erkennung eines Abschaltstromes durch einen elektronischen Schalter, wobei der elektronische Schalter einen abschaltbaren Halbleiterschalter mit drei Anschlüssen aufweist. Eine Spannung wird zwischen zwei der drei Anschlüssen gemessen. Die Spannung oder das zeitliche Integral der Spannung wird mit einem Referenzwert verglichen und bei Überschreiten des Referenzwertes mindestens einer der Anschlüsse des abschaltbaren Halbleiterschalters abgeschaltet.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum Betätigen eines elektronischen Schalters in einem Fehlerfall, insbesondere eines Halbleiterschalters einer Halbbrücke einer Leistungselektronik, zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung anzugeben.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Betätigen eines elektronischen Schalters in einem Fehlerfall, insbesondere eines Halbleiterschalters einer Halbbrücke einer Leistungselektronik, vorgeschlagen, wobei der elektronische Schalter eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten elektrischen Pegel und einem zweiten elektrischen Pegel schaltet und wenigstens einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor umfasst. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Steuereinrichtung mit einer Ansteuerverbindung zum Ansteuern des ersten und des zweiten Transistors, eine Sensoreinrichtung zum Bestimmen eines elektrischen Stroms durch wenigstens den ersten Transistor und/oder einer Temperatur des elektronischen Schalters, sowie eine Regeleinrichtung, welche mit der Sensoreinrichtung elektrisch gekoppelt ist und wenigstens eine Rückkopplungsverbindung zur Steuereinrichtung oder zur Ansteuerverbindung der Steuereinrichtung aufweist.
Der Fehlerfall kann beispielsweise in einem Kurzschluss des elektronischen Schalters bestehen oder in einer ungewöhnlich hohen Erwärmung des Schalters.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht die Nutzung einer Sensoreinrichtung, welche in den elektronischen Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, integriert ist, um die Temperatur des Schalters zu messen und/oder einen Kurzschluss des Schalters zu erkennen und daraus Maßnahmen für das weitere Betreiben des Schalters bis hin zum Abschalten abzuleiten. Dadurch kann die Zahl der Kontakte auf der Halbleiterfläche reduziert werden und der Einschaltwiderstand des Schalters verringert werden. Damit kann beispielsweise eine Effizienz eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs gesteigert werden.
Die Sensoreinrichtung wird genutzt, um beispielsweise bei einem MOSFET-Transistor als Schalter die Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung während des Kurzschlusses zu limitieren und dadurch die Verlustleistung im Transistor zu begrenzen. Mit der Limitierung der Verlustenergie im Kurzschluss, kann der Transistor auf einen geringeren Einschaltwiderstand optimiert sein.
Vorteilhaft wird die Spannung der Ansteuerverbindung zunächst nur limitiert, die eigentliche Abschaltung des Transistors erfolgt über einen Gate-Treiber-IC als Steuereinrichtung des Transistors. Eine direkte Rückkopplung von der Regeleinrichtung, welche die Messwerte von der Sensoreinrichtung verarbeitet, zur Ansteuerverbindung der Steuereinrichtung erlaubt beispielsweise einen Eingriff innerhalb von weniger als 100 nsec. Mit dem Abschalten des Transistors kann dann beispielsweise 500 nsec oder länger gewartet werden. Dies erlaubt eine robustere Auslegung der Schaltung, um eine Fehlauslösung zu verhindern.
Durch die schnelle Kurzschlusserkennung kann der Halbleiterschalter weiter optimiert werden, was eine zusätzliche Steigerung der Effizienz erlaubt.
Vorteilhaft kann so ein Kurzschlusssensor mit einem Temperatursensor kombiniert werden. Eine Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes auf dem Halbleiterchip ist möglich. Günstigerweise ist so eine schnelle und zuverlässige Erkennung des Kurzschlusses möglich.
Zur Kurzschlusserkennung kann vorteilhaft eine sogenannte Stromspiegelkonfiguration mit zwei Transistoren eingesetzt werden. Dabei wird nur ein kleiner Teil des Schaltstroms, welcher über den ersten Transistor fließt, als Signal für die Erkennung des Kurzschlusses genutzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Sensoreinrichtung in den elektronischen Schalter integriert sein. Günstigerweise kann so eine besonders kompakte Ausbildung des elektronischen Schalters erreicht werden. Auch ist eine besonders schnelle Erkennung eines potentiellen Kurzschlusses des Schalters möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung können der erste und der zweite Transistor elektrisch parallel geschaltet sein, und ein elektrischer Strom durch den ersten Transistor höchstens 0,1%, bevorzugt höchstens 0,01%, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,001%, eines elektrischen Stroms durch den zweiten Transistor betragen. Auf diese Weise kann die Stromspiegelschaltung mit den beiden Transistoren günstig als Sensoreinrichtung genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Sensoreinrichtung als temperaturveränderlicher elektrischer Widerstand oder als temperaturveränderlicher elektrischer Widerstand mit einer in Serie oder parallel geschalteten Diode oder als Diode ausgebildet sein.
Der Strom des ersten Transistors kann so, wenn der Transistor eingeschaltet ist, über einen Widerstand oder eine Diode, oder eine Diode mit einem seriellen Widerstand, oder eine Diode mit einem parallelen Widerstand geführt sein. Im Kurzschlussfall steigt aufgrund des höheren Stroms die Spannung über der Sensoreinrichtung an, dadurch kann der Kurzschluss erkannt werden. Ist der erste Transistor ausgeschaltet, kann ein extern eingeprägter Strom über die Sensoreinrichtung fließen. Die Sensoreinrichtung verändert über die Temperatur ihre Eigenschaften. Dadurch kann auf die Temperatur zurückgeschlossen werden. Dieser Strom kann durch einen externen Widerstand limitiert oder durch eine Stromquelle vorgegeben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Regeleinrichtung als Komparator ausgebildet sein oder einen Komparator aufweisen.
Für die Auswertung des Sensorsignals kann eine entsprechende Schaltung vorgesehen werden, beispielsweise für die Überstromabschaltung ein Komparator und für das Temperatursignal kann das analoge Signal aufbereitet werden. Beide Schaltungen können mit Standardbauteilen realisiert werden.
Das Signal des Komparators kann direkt zu der Ansteuerverbindung, auch Gate Pfad genannt, der Steuereinrichtung geführt werden, und die Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung und somit den maximalen Kurzschlussstrom limitieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Signal des Komparators zu dem Gate-Treiber-IC der Steuereinrichtung geführt werden, und die Gate-Source-Spannung und somit den maximalen Kurzschlussstrom limitieren. Das Temperatursignal kann zu einem Controller als Auswerteeinheit übertragen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Sensoreinrichtung über eine Versorgungseinheit, insbesondere über einen elektrischen Widerstand oder eine Stromquelle oder eine elektrische Schaltung, welche einen elektrischen Strom zur Verfügung stellt, mit einem elektrischen Strom versorgt werden. So kann bei ausgeschaltetem erstem Transistor eine Temperaturbestimmung vorgenommen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann eine Auswerteeinheit, welche insbesondere als Operationsverstärker ausgebildet sein kann oder einen Operationsverstärker aufweisen kann, mit der Sensoreinrichtung elektrisch gekoppelt sein und zum Umwandeln eines Temperatursignals zur weiteren Verarbeitung ausgebildet sein. Damit kann günstigerweise das Temperatursignal für eine Abschaltung des Schalters über die Steuereinrichtung genutzt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Betätigen eines elektronischen Schalters in einem Fehlerfall, insbesondere eines Halbleiterschalters einer Halbbrücke einer Leistungselektronik, vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen der Schritte Bestimmen eines elektrischen Stroms durch einen ersten Transistor mit einer Sensoreinrichtung und Übermitteln eines korrespondierenden Spannungswerts an eine Regeleinrichtung; Übermitteln eines Rückkopplungssignals durch die Regeleinrichtung an eine Steuereinrichtung oder an eine Ansteuerverbindung der Steuereinrichtung; Bestimmen einer Temperatur des elektronischen Schalters mit der Sensoreinrichtung; Aufbereiten des Temperatursignals durch eine Auswerteeinheit; Übermitteln des aufbereiteten Temperatursignals durch die Auswerteeinheit an die Steuereinrichtung; und bei Überschreiten einer Spannungsgrenze durch den übermittelten Spannungswert und/oder bei Überschreiten einer Temperaturgrenze durch den übermittelten Temperaturwert Abschalten des elektronischen Schalters durch die Steuereinrichtung.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Nutzung einer Sensoreinrichtung, welche in den elektronischen Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, integriert ist, um die Temperatur des Schalters zu messen und einen Kurzschluss des Schalters zu erkennen und daraus Maßnahmen für das weitere Betreiben des Schalters bis hin zum Abschalten abzuleiten.
Die Sensoreinrichtung wird genutzt, um beispielsweise bei einem MOSFET-Transistor als Schalter die Gate-Source-Spannung während des Kurzschlusses zu limitieren und dadurch die Verlustleistung im Transistor zu begrenzen. Mit der Limitierung der Verlustenergie im Kurzschluss, kann der Transistor auf einen geringeren Einschaltwiderstand optimiert sein.
Vorteilhaft wird die Spannung der Ansteuerverbindung zunächst nur limitiert, die eigentliche Abschaltung des Transistors erfolgt über einen Gate-Treiber-IC der Steuereinrichtung des Transistors. Eine direkte Rückkopplung von der Regeleinrichtung, welche die Messwerte von der Sensoreinrichtung verarbeitet, zur Ansteuerverbindung der Steuereinrichtung erlaubt beispielsweise einen Eingriff innerhalb von weniger als 100 nsec. Mit dem Abschalten des Transistors kann dann beispielsweise 500 nsec oder länger gewartet werden. Dies erlaubt eine robustere Auslegung der Schaltung, um eine Fehlauslösung zu verhindern.
Vorteilhaft kann so ein Kurzschlusssensor mit einem Temperatursensor kombiniert werden. Günstigerweise ist so eine schnelle und zuverlässige Erkennung des Kurzschlusses möglich.
Zur Kurzschlusserkennung kann vorteilhaft eine sogenannte Stromspiegelkonfiguration mit zwei Transistoren eingesetzt werden. Dabei wird nur ein kleiner Teil des Schaltstroms, welcher über den ersten Transistor fließt, als Signal für die Erkennung des Kurzschlusses genutzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann in der Regeleinrichtung mittels eines Komparators der Spannungswert in ein elektrisches Signal zur Rückkopplung an die Ansteuerverbindung der Steuereinrichtung und weiteren Verarbeitung durch die Steuereinrichtung umgewandelt werden. Dadurch kann zweckmäßigerweise eine besonders schnelle Verarbeitung des Spannungswerts für eine Rückkopplung zu der Ansteuerverbindung der Steuereinrichtung erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels der Steuereinrichtung bei Überschreiten der Spannungsgrenze durch den übermittelten Spannungswert eine Spannung zur Steuerung des ersten und zweiten Transistors und somit ein Kurzschlussstrom limitiert werden. Die eigentliche Abschaltung des Schalters kann günstigerweise danach etwas zeitverzögert erfolgen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:

1 eine Brückenschaltung zum Ansteuern eines Elektromotors;
2 eine Vorrichtung zum Betätigen eines elektronischen Schalters in einem Fehlerfall nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein zeitlicher Ablauf beim Betreiben der Vorrichtung nach 2; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung zum Betätigen eines elektronischen Schalters in einem Fehlerfall nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt eine Brückenschaltung einer Leistungselektronik 200 zum Ansteuern eines dreiphasigen Elektromotors M. Die Brückenschaltung umfasst drei Halbbrücken 202, 204, 206 mit je zwei Schaltern 10, welche mit einer Spannungsquelle mit typischerweise 760 V betrieben werden. In jeder Phase wird durch die Halbbrücke 202, 204, 206 ein sinusförmiges Stromsignal zur Ansteuerung des Elektromotors M erzeugt. In dem dargestellten Beispiel kann eine Phasenspannung von typischerweise 460 V für den Elektromotor M genutzt werden. Ein elektronischer Schalter 10 einer Halbbrücke 202, 204, 206 schaltet dabei die beiden Spannungspegel 210, 212 mit einer Spannungsdifferenz von 460 V auf eine Wicklung des Elektromotors M.
Die elektronischen Schalter 10 können als Leistungshalbleiter, beispielsweise als MOSFET, wie in 1 dargestellt, oder als IGBT oder als GaN-HEMT ausgebildet sein.
Die elektronischen Schalter 10 können vorteilhaft mit einer Vorrichtung 100 zum Betätigen des Schalters 10 in einem Fehlerfall realisiert sein, wie bei einem der Schalter 10 symbolhaft dargestellt ist und in der nachfolgenden 2 dargestellt.
2 zeigt eine solche Vorrichtung 100 zum Betätigen eines elektronischen Schalters 10 in einem Fehlerfall nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Vorrichtung 100 umfasst beispielsweise einen der beiden Halbleiterschalter 10 der Halbbrücke 202 der in 1 dargestellten Leistungselektronik 200.
Der elektronische Schalter 10 schaltet eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten elektrischen Pegel 210 und einem zweiten elektrischen Pegel 212 und umfasst bei der vorgeschlagenen Vorrichtung 100 einen ersten Transistor 12 und einen zweiten Transistor 14.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Steuereinrichtung 20 zum Ansteuern des ersten und des zweiten Transistors 12, 14, eine Sensoreinrichtung 30 zum Bestimmen eines elektrischen Stroms 13 durch wenigstens den ersten Transistor 12 und einer Temperatur des elektronischen Schalters 10, sowie eine Regeleinrichtung 40. Die Regeleinrichtung 40 ist mit der Sensoreinrichtung 30 elektrisch gekoppelt und weist eine Rückkopplungsverbindung 42 zur Steuereinrichtung 20 auf.
Zur Kurzschlusserkennung wird eine sogenannte Stromspiegelkonfiguration mit zwei Transistoren 12, 14 eingesetzt. Dabei wird nur ein kleiner Teil des Schaltstroms, welcher über den ersten Transistor 12 fließt, als Signal für die Erkennung des Kurzschlusses genutzt. Der erste und der zweite Transistor 12, 14 sind dabei elektrisch parallel geschaltet, und ein elektrischer Strom 13 durch den ersten Transistor 12 beträgt höchstens 0,1%, bevorzugt höchstens 0,01%, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,001 %, eines elektrischen Stroms 15 durch den zweiten Transistor 14. Alternativ können auch andere Faktoren zwischen den beiden Strömen 13, 15 eingestellt werden.
Im Kurzschlussfall steigt aufgrund des höheren Stroms die Spannung 34 über der Sensoreinrichtung 30 an, dadurch kann der Kurzschluss erkannt werden. Ist der erste Transistor 12 ausgeschaltet, kann ein extern eingeprägter Strom über die Sensoreinrichtung 30 fließen. Die Sensoreinrichtung 30 verändert über die Temperatur ihre Eigenschaften. Dadurch kann auf die Temperatur zurückgeschlossen werden. Dieser Strom kann mittels der Versorgungseinrichtung 60 durch einen externen Widerstand limitiert oder durch eine Stromquelle vorgegeben werden.
Die Sensoreinrichtung 30 kann beispielsweise als temperaturveränderlicher elektrischer Widerstand oder als temperaturveränderlicher elektrischer Widerstand mit einer in Serie oder parallel geschalteten Diode oder als Diode ausgebildet sein.
Die Sensoreinrichtung 30 kann vorteilhaft in den elektronischen Schalter 10 integriert sein, was durch das gestrichelte Rechteck angedeutet ist. Vorteilhaft kann so ein Kurzschlusssensor mit einem Temperatursensor kombiniert werden. Damit ist eine Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes auf dem Halbleiterchip des Schalters 10 möglich. Günstigerweise ist so eine schnelle und zuverlässige Erkennung eines Kurzschlusses des Halbleiterschalters 10 möglich.
Die Sensoreinrichtung 30 wird über die Versorgungseinheit 60, insbesondere über einen elektrischen Widerstand oder eine Stromquelle oder eine elektrische Schaltung, welche einen elektrischen Strom zur Verfügung stellt, mit einem elektrischen Strom 32 versorgt.
Die Steuereinrichtung 20 liefert eine Spannung an der Ansteuerverbindung 22 zum Ansteuern der Gates der beiden Transistoren 12, 14.
Die Regeleinrichtung 40, welche als Komparator ausgebildet sein kann oder einen Komparator aufweisen kann, verarbeitet ein Spannungssignal der Sensoreinrichtung 30 zum Erkennen eines Kurzschlusses des Schalters 10 und wandelt das Signal zur weiteren Verarbeitung in der Steuereinrichtung 20 um. Das Signal wird über die direkte Rückkopplungsverbindung 42 auf das Spannungssignal der Ansteuerverbindung 22 der Steuereinrichtung 20 zum Ansteuern der Gates der beiden Transistoren 12, 14 aufgeschaltet. Damit kann die Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung zum Ansteuern der beiden Transistoren 12, 14 und damit der Kurzschlussstrom limitiert werden.
Eine Auswerteeinheit 50, welche insbesondere als Operationsverstärker ausgebildet sein kann oder einen Operationsverstärker aufweist, ist mit der Sensoreinrichtung 30 elektrisch gekoppelt. Die Auswerteeinheit 50 wandelt das Temperatursignal der Sensoreinrichtung 30 zur weiteren Verarbeitung in ein aufbereitetes Temperatursignal 52 um.
Eine erste Versorgungsspannung 62 von beispielsweise 18 V und eine zweite Versorgungsspannung 64 von -5 V kann typischerweise zum Betreiben der Vorrichtung 100 bereitgestellt werden.
In 3 sind nun mögliche Betriebszustände mit typischen Spannungs- und Stromverläufen beim Betreiben einer solchen Vorrichtung 100 zum Betätigen eines elektronischen Schalters 10 in einem Fehlerfall dargestellt. Mit Bezug auf 2 sind die Spannung der Ansteuerverbindung 22 zum Ansteuern der beiden Transistoren 12, 14, der Strom 16 durch den Schalter 10, die Spannung 18 am Schalter 10, und die Spannung 34 an der Sensoreinrichtung 30 für verschiedene Betriebszustände 70, 72, 74, 76, 78 dargestellt. Weiter ist noch eine Schwelle zum Erkennen eines Kurzschlusses für die Spannung 34 an der Sensoreinrichtung 30 als Spannungsgrenze 36 dargestellt.
Bei MOSFETs als Transistoren 12, 14 sind das insbesondere die Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung 22, der Source-Strom 16, und die Drain-Source-Spannung 18.
In einem ersten Bereich 70 sind die Verläufe beim normalen Anschalten des elektronischen Schalters 10 dargestellt.
Die Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung 22 und der Source-Strom 16 steigen an, die Drain-Source-Spannung 18 bricht zusammen. Der Versorgungsstrom 32 der Sensoreinrichtung 30 fließt rückwärts über einen ausgebildeten Kanal des ersten Transistors 12 und einen Kanal des zweiten Transistors 14. Daher bricht die Spannung 34 an der Sensoreinrichtung 30 zusammen.
Im zweiten Bereich 72 sind die Verläufe beim normalen Ausschalten des elektronischen Schalters 10 dargestellt.
Die Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung 22 und der Source-Strom 16 brechen zusammen, die Drain-Source-Spannung 18 steigt wieder an. In der Sensoreinrichtung 30 kann eine Temperaturmessung stattfinden.
Im dritten Bereich 74 sind die Verläufe bei einem Kurzschluss des elektronischen Schalters 10 ohne einen zusätzlichen Eingriff zur Limitierung der Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung 22 dargestellt.
Die Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung 22 steigt an. Der Source-Strom 16 steigt stark an, die Drain-Source-Spannung 18 ist ebenfalls auf einem hohen Niveau.
Der Strom 13 durch den ersten Transistor 12 steigt auf einen hohen Wert an. Dies führt zu einem Spannungsabfall über den Widerstand, der Spannungsabfall 34 über die Sensoreinrichtung 30 kann als Eingangssignal für die Überstromabschaltung genutzt werden. Aufgrund des Spannungsabfalls 34 über der Sensoreinrichtung 30 wird die effektive Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung 22 des ersten Transistors reduziert. Der erste Transistor 12 zeigt daher ein früheres Kurzschlussverhalten. Dies ist für die Reaktionszeit der Sensoreinrichtung 30 von Vorteil.
Im vierten Bereich 76 findet wieder eine Temperaturmessung statt.
Im fünften Bereich 78 sind die Verläufe bei einem Kurzschluss des elektronischen Schalters 10 mit einem zusätzlichen Eingriff zur Limitierung der Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung 22 dargestellt.
Der Anstieg des Source-Stroms 16 fällt nicht so hoch aus wie im Bereich 74. Auch die Spannung 34 an der Sensoreinrichtung 30 bleibt niedriger und ist auf das Niveau der Spannungsgrenze 36 beschränkt.
Durch die Limitierung der Gate-Source-Spannung der Ansteuerverbindung 22 zum Zeitpunkt 80 kann die Verlustleistung des Schalters 10 während des Kurzschlusses reduziert werden. Dadurch kann eine Limitierung bei einer Optimierung des Schalters 10 entschärft werden.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung 100 zum Betätigen eines elektronischen Schalters 10 in einem Fehlerfall nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Insbesondere kann der elektronische Schalter 10 ein Halbleiterschalter 10 einer Halbbrücke 202, 204, 206 einer Leistungselektronik 200 für einen Elektromotor M beispielsweise eines Elektrofahrzeugs sein.
In einem ersten Schritt S100 wird mit einer Sensoreinrichtung 30 ein elektrischer Strom 13 durch einen ersten Transistor 12 bestimmt und ein korrespondierender Spannungswert an eine Regeleinrichtung 40 übermittelt.
In einem weiteren Schritt S102 wird durch die Regeleinrichtung 40 ein Rückkopplungssignal an eine Steuereinrichtung 20 übermittelt.
In einem weiteren Schritt S104 wird mit der Sensoreinrichtung 30 eine Temperatur des elektronischen Schalters 10 bestimmt.
In einem weiteren Schritt S106 wird das Temperatursignal durch eine Auswerteeinheit 50 aufbereitet.
In einem weiteren Schritt S108 wird das aufbereitete Temperatursignal 52 durch die Auswerteeinheit 50 an die Steuereinrichtung 20 übermittelt.
Im letzten Schritt S110 wird der elektronische Schalter 10 bei Überschreiten einer Spannungsgrenze durch den übermittelten Spannungswert 34 und/oder bei Überschreiten einer Temperaturgrenze durch den übermittelten Temperaturwert durch die Steuereinrichtung 20 abgeschaltet.
in der Regeleinrichtung 40 kann beispielsweise mittels eines Komparators der Spannungswert 34 in ein elektrisches Signal zur Rückkopplung an die Steuereinrichtung 20 und weiteren Verarbeitung durch die Steuereinrichtung 20 umgewandelt werden.
Vorteilhaft kann mittels der Steuereinrichtung 20 bei Überschreiten der Spannungsgrenze 36 durch den übermittelten Spannungswert 34 die Spannung der Ansteuerverbindung 22 zur Steuerung des ersten und zweiten Transistors 12, 14 und somit ein Kurzschlussstrom limitiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Schalter
12: erster Transistor
13: Strom erster Transistor
14: zweiter Transistor
15: Strom zweiter Transistor
16: Strom Schalter
18: Spannung Schalter
20: Steuereinrichtung
22: Ansteuerverbindung der Transistoren
30: Sensoreinrichtung
32: Strom Versorgung Sensoreinrichtung
34: Spannung Sensoreinrichtung
36: Spannungsgrenze Kurzschlusserkennung
40: Regeleinrichtung
42: Rückkopplungsverbindung
50: Auswerteeinheit
52: aufbereitetes Temperatursignal
60: Versorgungseinheit
62: erste Versorgungsspannung
64: zweite Versorgungsspannung
70: Normales Anschalten
72: Normales Ausschalten
74: Kurzschluss ohne Eingriff
78: Kurzschluss mit Eingriff
80: Limitierung Gate-Source-Spannung
82: Abschaltung durch Steuereinrichtung
100: Vorrichtung
200: Leistungselektronik
202: Halbbrücke
204: Halbbrücke
206: Halbbrücke
210: elektrischer Pegel
212: elektrischer Pegel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3608644 A1 [0004]
EP 3654506 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung (100) zum Betätigen eines elektronischen Schalters (10) in einem Fehlerfall, insbesondere eines Halbleiterschalters (10) einer Halbbrücke (202, 204, 206) einer Leistungselektronik (200), wobei der elektronische Schalter (10) eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten elektrischen Pegel (210) und einem zweiten elektrischen Pegel (212) schaltet und wenigstens einen ersten Transistor (12) und einen zweiten Transistor (14) umfasst, wenigstens umfassend eine Steuereinrichtung (20) zum Ansteuern des ersten und des zweiten Transistors (12, 14), eine Sensoreinrichtung (30) zum Bestimmen eines elektrischen Stroms (13) durch wenigstens den ersten Transistor (12) und/oder einer Temperatur des elektronischen Schalters (10), eine Regeleinrichtung (40), welche mit der Sensoreinrichtung (30) elektrisch gekoppelt ist und wenigstens eine Rückkopplungsverbindung (42) zur Steuereinrichtung (20) oder zur Ansteuerverbindung (22) der Steuereinrichtung (20) mit dem ersten und zweiten Transistor (12, 14) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinrichtung (30) in den elektronischen Schalter (10) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und der zweite Transistor (12, 14) elektrisch parallel geschaltet sind, und ein elektrischer Strom (13) durch den ersten Transistor (12) höchstens 0,1%, bevorzugt höchstens 0,01%, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,001%, eines elektrischen Stroms (15) durch den zweiten Transistor (14) beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung (30) als temperaturveränderlicher elektrischer Widerstand oder als temperaturveränderlicher elektrischer Widerstand mit einer in Serie oder parallel geschalteten Diode oder als Diode ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung (40) als Komparator ausgebildet ist oder einen Komparator aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung (30) über eine Versorgungseinheit (60), insbesondere über einen elektrischen Widerstand oder eine Stromquelle oder eine elektrische Schaltung, welche einen elektrischen Strom zur Verfügung stellt, mit einem elektrischen Strom (32) versorgt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Auswerteeinheit (50), insbesondere wobei die Auswerteeinheit (50) als Operationsverstärker ausgebildet ist oder einen Operationsverstärker aufweist, mit der Sensoreinrichtung (30) elektrisch gekoppelt ist und zum Umwandeln eines Temperatursignals zur weiteren Verarbeitung ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (100) zum Betätigen eines elektronischen Schalters (10) mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Transistor (12, 14) in einem Fehlerfall, insbesondere eines Halbleiterschalters (10) einer Halbbrücke (202, 204, 206) einer Leistungselektronik (200), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens die Schritte - Bestimmen eines elektrischen Stroms (13) durch den ersten Transistor (12) mit einer Sensoreinrichtung (30) und Übermitteln eines korrespondierenden Spannungswerts an eine Regeleinrichtung (40); - Übermitteln eines Rückkopplungssignals durch die Regeleinrichtung (40) an eine Steuereinrichtung (20) oder an eine Ansteuerverbindung (22) der Steuereinrichtung (20) mit dem ersten und zweiten Transistor (12, 14).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei in der Regeleinrichtung (40) mittels eines Komparators der Spannungswert (34) in ein elektrisches Signal zur Rückkopplung an die Steuereinrichtung (20) und weiteren Verarbeitung durch die Steuereinrichtung (20) umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei mittels der Steuereinrichtung (20) bei Überschreiten der Spannungsgrenze (36) durch den übermittelten Spannungswert (34) eine Spannung der Ansteuerverbindung (22) zur Steuerung des ersten und zweiten Transistors (12, 14) und somit ein Kurzschlussstrom limitiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 wenigstens umfassend einen der Schritte - Bestimmen einer Temperatur des elektronischen Schalters (10) mit der Sensoreinrichtung (30); - Aufbereiten des Temperatursignals durch eine Auswerteeinheit (50); - Übermitteln des aufbereiteten Temperatursignals (52) durch die Auswerteeinheit (50) an die Steuereinrichtung (20); - Bei Überschreiten einer Spannungsgrenze (36) durch den übermittelten Spannungswert (34) und/oder bei Überschreiten einer Temperaturgrenze durch den übermittelten Temperaturwert, Abschalten des elektronischen Schalters (10) durch die Steuereinrichtung (20).