EP2391901A1

EP2391901A1 - Potentialgetrennte funktionsprüfung für bauelemente

Info

Publication number: EP2391901A1
Application number: EP10700737A
Authority: EP
Inventors: Thomas Komma; Kai Kriegel; Jürgen RACKLES; Simon Hüttinger; Gernot Spiegelberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-12-07
Also published as: US20110291672A1; CN102301252B; CN102301252A; US8803540B2; WO2010086226A1; DE102009006970A1

Abstract

Für ein Halbleiterbauelement (31) werden ein Verfahren und eine Schaltung zur Funktionsprüfung angegeben. Die Funktionsprüfung erfolgt potentialgetrennt durch Verwendung eines Transformators (33). Die Prüfung selbst basiert auf der Ermittlung der frequenzabhängigen Impedanz einer Serienschaltung (44) von Kapazitäten und Induktivitäten mit dem Halbleiterbauelement selbst. Diese Impedanz wird stark durch den Leitungszustand des Halbleiterbauelements, d.h. durch seine momentane Leit- oder Sperrfähigkeit beeinflusst.

Description

Beschreibung

Potentialgetrennte Funktionsprüfung für Bauelemente

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung sowie eine Funktionsprüfungsschaltung für einen Halbleiterschalter, insbesondere zur Verwendung in Elektrofahrzeugen .

Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) kommen beispielswei- se bei Elektroautos für den Antrieb zum Einsatz. Dort werden sie - wie auch in anderen Anwendungen - im Feldschwäche-Betrieb verwendet, d.h. das magnetische Feld wird durch einen feldschwächenden Strom verringert. Dadurch können höhere Drehzahlen erreicht werden. In einem Elektroauto ist als An- triebssystem für den Betrieb des PSM beispielsweise noch eine DC-Batterie und zwischen Batterie und PSM ein Umrichter für die Umsetzung der einphasigen Batteriespannung in die dreiphasige Motorversorgung vorgesehen.

Kommt es bei hohen Drehzahlen des PSM zu einem Ausfall des vorgeschalteten Umrichters, fehlt in der Folge der feldschwächende Strom. Solange die Drehzahl hoch bleibt, also zumindest für eine kurze Zeit, wird durch die Magnete des Motors eine Spannung induziert, die oberhalb der normalen und ge- wünschten Zwischenkreis- oder Batteriespannung liegt. Bei heutigen Batterien ist eine zu hohe Spannung jedoch zerstörerisch.

Ein möglicher Aufbau zum Schutz der Batterie besteht darin, dass zwischen dem Umrichter und der Batterie eine oder mehrere Dioden und parallel zu der oder den Dioden ein oder mehrere Halbleiterschalter vorgesehen sind. Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn zu jeder Zeit der Halbleiterschalter abgeschaltet werden kann.

Eine Möglichkeit, für eine erhöhte Verlässlichkeit zu sorgen, ist die Verwendung redundanter Halbleiterschalter. Dadurch wird jedoch die elektrische Verlustleistung, die in den Halb- leiterschaltern verloren geht, entsprechend der Anzahl der verwendeten zusätzlichen Halbleiterschalter erhöht. Eine Möglichkeit, die diesen Nachteil vermeidet, besteht darin, zu prüfen, ob der Halbleiterschalter funktionstüchtig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Funktionsprü- fungsschaltung anzugeben, mittels derer in einfacher Weise die Funktionstüchtigkeit eines Bauelements ermittelt werden kann .

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Prüfverfahrens durch ein Prüfverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich der PrüfSchaltung wird die Aufgabe durch eine Prüfschaltung mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Funktionsprüfung für ein Bauelement wird das Bauelement mit einer elektrischen PrüfSchaltung verbunden, wobei die PrüfSchaltung einen Transformator umfasst. Es versteht sich, dass es zweckmäßig ist, die Verbindung einmalig vorzunehmen und somit die Prüfschaltung elektrisch fest mit dem zu überprüfenden Bauelement zu verbinden. Die PrüfSchaltung ist dann ein fester Bestandteil des elektronischen Aufbaus, in dem auch das Bauelement vorgesehen ist. Es ist aber auch möglich, die Verbindung nur dann herzustellen, wenn eine Prüfung durchgeführt werden soll.

Weiterhin wird in der PrüfSchaltung eine Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung erfährt anhand der hierfür üblichen Regeln eine Verbreitung in der PrüfSchaltung und in das Bauelement. Die Amplitude der Wechselspannung an verschiedenen Punkten innerhalb der PrüfSchaltung hängt vom konkreten Aufbau der PrüfSchaltung, der Dimensionierung der Bauteile, der Frequenz der Wechselspannung und dem Leitungszustand des Bauelements ab.

Der Leitungszustand des Bauelements kann dabei beispielsweise der Zustand sein, dass das Bauelement leitet. Bei einem Halbleiterschalter wie beispielsweise einem IGBT heißt das, dass er angeschaltet ist und über den IGBT nur eine Restspannung abfällt. Die Ausgangskapazität des IGBT, die die frequenzabhängige Impedanz für die Wechselspannung beeinflusst, ist dann kurzgeschlossen.

Bei einem Halbleiterschalter wie dem IGBT gibt es noch den weiteren Leitungszustand der Sperrung, für die der IGBT ausgeschaltet ist. In diesem Fall ist die Ausgangskapazität des IGBT nicht kurzgeschlossen und wirkt bei der frequenzabhängi- gen Impedanz für die Wechselspannung mit.

Ein weiteres Beispiel für einen Leitungszustand ist die Leitung durch oder Sperrung durch eine Diode. Hierbei ist der Leitungszustand üblicherweise nicht durch eine Steuerung be- einflusst, sondern stellt sich lediglich durch die vorhandene Spannungsdifferenz über die Diode ein. Trotzdem kann der Leitungszustand durch seinen Einfluss auf die frequenzabhängige Impedanz von PrüfSchaltung und Diode ermittelt werden.

Wie schon anhand der Beispiele beschrieben, wird erfindungsgemäß der Leitungszustand des Bauelements aus der gemeinsamen Impedanz von PrüfSchaltung und Bauelement für die Wechselspannung ermittelt.

Die erfindungsgemäße PrüfSchaltung zur Funktionsprüfung für ein Bauelement weist dafür einen Transformator auf. Weiterhin ist wenigstens eine Einspeiseschaltung zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer festlegbaren Frequenz vorgesehen. Schließlich ist wenigstens eine Messschaltung zur Ermittlung der Impedanz von PrüfSchaltung und Bauelement bei der Frequenz vorgesehen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen PrüfSchaltung ist, dass beide eine potential- freie Prüfung des Leitungszustands des Bauelements ermöglichen. Das ist besonders vorteilhaft, wenn das Bauelement zeitweise mit einer hohen Spannung beaufschlagt ist. Das kann beispielsweise in Elektroautos der Fall sein, in denen die Zwischenkreisspannungen zwischen Batterie und Umrichter 600V oder mehr betragen können. In solchen Fällen sind eine Ermittlung des Leitungszustands und eine elektrische Weiterleitung eines entsprechenden Signals an beispielsweise einen Mikroprozessor auf einem erdnahen Spannungsniveau möglich. Hierdurch wird die Sicherheit des Aufbaus für menschliche Zugriffe deutlich verbessert.

Zweckmäßig ist es dabei, die PrüfSchaltung so zu gestalten, dass die Messschaltung in Bezug auf den Transformator auf der Primärseite angeordnet ist, während das Bauelement mit der Sekundärseite verbunden wird. Dann ist nämlich die Messschaltung potentialgetrennt angeordnet vom Bauelement und eine anderweitige Potentialtrennung, beispielsweise in optischer Weise, wird vermieden.

Um die gemeinsame Impedanz von PrüfSchaltung und Bauelement für die Wechselspannung zu ermitteln, wird bevorzugt ein zu prüfender Leitungszustand des Bauelements ausgewählt und für die Wechselspannung eine Frequenz ausgewählt, die an den zu prüfenden Leitfähigkeitszustand angepasst ist. Bei dem Leitungszustand handelt es sich beispielsweise um den Zustand der elektrischen Leitung, wie er beispielsweise bei einem Halbleiterschalter in angeschaltetem Zustand der Fall ist. Ein weiteres Beispiel für diesen Leitungszustand ist eine Diode, wobei die Spannungen auf beiden Seiten der Diode derart sind, dass die Diode leitet. Ein Beispiel für einen anderen Leitungszustand ist ein sperrender Zustand, der bei ausgeschalteten Halbleiterschaltern auftritt oder bei Dioden, wenn die Spannungen zu beiden Seiten der Diode entsprechend eingestellt sind.

Bei der Auswahl der Frequenz besteht weitgehende Freiheit. Der Leitungszustand des Bauelements beeinflusst grundsätzlich die frequenzabhängige gemeinsame Impedanz von PrüfSchaltung und Bauelement für die Wechselspannung. So wird ein Bauelement in einem leitfähigen Zustand nur eine geringfügige Kapazität zur Impedanz beisteuern, da die Eigenkapazität des Bau- elements durch das Bauelement selbst kurzgeschlossen ist. Das Bauelement steuert in diesem Fall einen weitgehend resistiven Anteil zur Impedanz bei. Im sperrenden Zustand gilt das Gegenteil. Hier wird das Bauelement einen weitgehend kapaziti- ven oder ggfs. auch induktiven Anteil zur Impedanz beitragen. Ist das Bauelement also nicht in dem zu prüfenden Leitungszustand, wird die gemeinsame Impedanz nahezu immer eine andere sein als im zu prüfenden Leitungszustand.

Es ist aber besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz so ausgewählt wird, dass im zu prüfenden Leitungszustand die Impedanz nahezu Null wird. Hierdurch ergibt sich ein besonders deutliches Signal und bereits leichte Abweichungen des Bauelements von seinem gewöhnlichen Verhalten können detektiert werden.

Um eine Impedanz gegen Null zu erhalten, ist es zweckmäßig, wenn die PrüfSchaltung neben dem Transformator weiterhin wenigstens einen Reihenkondensator und eine Reiheninduktivität aufweist. Diese sind bevorzugt in Reihe zueinander und zum

Transformator geschaltet. Dieser Aufbau der PrüfSchaltung bedingt vorteilhaft das Vorhandensein einer resonanten Frequenz, bei der die Impedanz praktisch Null wird. Die resonan- te Frequenz hängt dabei unter anderem von der Impedanz des Bauelements ab, also von dessen Leitungszustand. Vorteilhaft wird die resonante Frequenz beim zu prüfenden Leitungszustand als Frequenz für die Wechselspannung gewählt.

Die PrüfSchaltung bzw. das Prüfverfahren eignet sich beson- ders für schaltbare Bauelemente wie beispielsweise Halbleiterschalter wie MOSFETs oder IGBTs. Ebenso eignet sich die PrüfSchaltung bzw. das Prüfverfahren auch für Bauelemente wie Dioden, die zwar nicht direkt steuerbar sind, aber anderweitig ihren Leitungszustand ändern können. Solche Bauelemente weisen wenigstens zwei verschiedene Leitungszustände auf.

Prinzipiell ist es auch möglich, dass die PrüfSchaltung bzw. das Prüfverfahren auf eine Gruppe von einzelnen Bauteilen angewandt werden. So kann beispielsweise auch eine Parallel- Schaltung aus einem IGBT und einer Diode geprüft werden. In diesem Fall beeinflussen alle vorhandenen Bauteile die gemeinsame Impedanz.

Dabei ist die Verwendung der PrüfSchaltung und des Prüfverfahrens keineswegs auf das eingangs beschriebene Umfeld der Elektrofahrzeuge beschränkt. Vielmehr ist das Verfahren universell einsetzbar.

Beide Leitungszustände können mit einer Wechselspannung geprüft werden, indem die jeweiligen sich ergebenden Impedanzen für beide Leitungszustände ausgewertet werden. Dabei kann die Frequenz der Wechselspannung an einen der beiden Leitungszustände angepasst werden, indem die entsprechende Resonanzfre- quenz gewählt wird. Die Impedanz wird in diesem Leitungszustand dann Null oder nahezu Null sein und im anderen Leitungszustand einen anderen Wert annehmen. In diesem Fall um- fasst die PrüfSchaltung zweckmäßig nur eine Einrichtung zur Erzeugung der Wechselspannung und der Aufbau ist so einfach wie möglich.

Ebenso ist es möglich, die Frequenz der Wechselspannung an den jeweils gerade vorliegenden zu prüfenden Leitungszustand anzupassen, indem beispielsweise für die Prüfung stets die passende Resonanzfrequenz gewählt wird. Dadurch wird immer eine sehr genaue Messung ermöglicht. Auch in diesem Fall um- fasst die PrüfSchaltung zweckmäßig nur eine Einrichtung zur Erzeugung der Wechselspannung, allerdings ist die Einrichtung so ausgestaltet, dass die Frequenz wechselbar ist.

Eine dritte Alternative besteht darin, zwei oder ggfs. mehr Wechselspannungen zu erzeugen. Hierfür umfasst die PrüfSchaltung bevorzugt zwei oder mehr Einrichtungen zur Erzeugung einer Wechselspannung. Vorteilhaft können dann die Frequenzen an je einen der zu prüfenden Leitungszustände angepasst werden, also beispielsweise die jeweilige Resonanzfrequenz gewählt werden. Ein Umschalten der Frequenz in der Einrichtung zur Erzeugung der Wechselspannung ist unnötig. Die Ermittlung der Impedanz erfolgt mit der wenigstens einen Messschaltung, die in der PrüfSchaltung vorgesehen ist. Die Messschaltung umfasst bevorzugt einen Frequenzfilter, insbe- sondere einen Hoch- oder Tiefpassfilter, um das Signal der Wechselspannung von anderen Signalen zu trennen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn mehrere Wechselspannungen verschiedener Frequenz gleichzeitig erzeugt werden. Um ein Spannungs-Signal in der Messschaltung zu erhalten, das im Wesent- liehen der Impedanz entspricht, ist es zweckmäßig, wenn die Messschaltung an einem Punkt der PrüfSchaltung angebunden ist, der dem Mittelpunkt eines Spannungsteilers entspricht. Dabei ist ein Ausgangswiderstand der Einspeiseschaltung der eine Widerstand des Spannungsteilers und die weiteren Elemen- te der PrüfSchaltung, d.h. der Transformator und das Bauelement und ggfs. weitere Elemente wie Reihenkondensator und Reiheninduktivität der andere Widerstand des Spannungsteilers .

Ein mögliches Einsatzszenario für die PrüfSchaltung ist eine Umrichterschaltung mit einem Überspannungsschutz, aufweisend:

- einen Umrichter zur Wandlung einer einphasigen Spannung in eine dreiphasige Spannung,

- eine Diode, die auf der einphasigen Seite des Umrichters vorgesehen ist,

- einen parallel zur Diode geschalteten Halbleiterschalter,

- eine einphasigen Batterie, die mit der einphasigen Eingangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist, und

- eine PrüfSchaltung für die Diode und den Halbleiterschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

Eine solche Umrichterschaltung kommt beispielsweise in Elek- trofahrzeugen wie Elektroautos zum Einsatz. Vorzugsweise wird als Halbleiterschalter ein IGBT verwendet. IGBTs mit paralle- len Dioden sind heute typisch bereits als fertige Bauteile erhältlich. Alternativ wird als Halbleiterschalter ein MOSFET verwendet. Dieser enthält bereits aufgrund seines Aufbaus eine Diode. Es wird also zweckmäßig bei Verwendung eines MOSFET keine selbständige Diode mehr benötigt, die Diode ist Teil des MOSFET.

Die Diode ist dabei zweckmäßig in die Eingangsleitung des Um- richters für positive Spannung, also den Phasenanschluss auf der einphasigen Seite des Umrichters eingebaut. Weiterhin ist sie bevorzugt so eingebaut, dass sie den Stromfluss in den Umrichter erlaubt und positive Spannung von Umrichterseite her sperrt.

Die Umrichterschaltung schützt ein auf der einphasigen Seite angeschlossenes Gerät, beispielsweise eine Autobatterie, durch die Diode vor Überladung. Gleichzeitig wird aber durch den parallel angeordneten Halbleiterschalter eine Überbrü- ckung der Diode ermöglicht, d.h. beispielsweise eine Rückspeisung aus Richtung des Umrichters in die Batterie.

Die Umrichterschaltung lässt sich vorteilhaft in einem Antriebssystem verwenden. Dieses weist neben der Umrichter- Schaltung wenigstens einen Elektromotor auf, der beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine ist, die insbesondere für einen Feldschwäche-Betrieb ausgelegt ist. Der Elektromotor ist zweckmäßig mit der 3-phasigen Ausgangsseite der Umrichterschaltung verbunden. Ferner ist wenigstens eine einphasige Batterie vorgesehen. Diese ist mit der einphasigen Eingangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist. Dabei ist es zweckmäßig für den Schutz der Batterie vor Überspannung, wenn der positive Batterieanschluss über die Diode mit der Umrichterschaltung verbunden ist. Ein derartiges Antriebssys- tem kann beispielsweise in einem Elektrofahrzeug wie einem Elektroauto zum Einsatz kommen.

Vorzugsweise weist das Antriebssystem eine Vorrichtung zur Ermittlung eines die Spannung auf der einphasigen Eingangs- seite des Umrichters repräsentierenden Werts auf. Beispielsweise könnte die Vorrichtung in einer Einrichtung zur Spannungsmessung über einen im Bereich des Umrichters vorgesehenen Zwischenkreiskondensator bestehen. Bei einem vorteilhaften Betriebsverfahren für das Antriebssystem wird in einem Motorbetriebszustand eine Speisung des Elektromotors aus der Batterie vorgenommen. In diesem Schritt findet also zweckmäßig ein Antrieb des Motors statt, was einem „Gasgeben" entspricht. In einem weiteren Zustand, dem Rückspeisebetriebszustand wird eine Speisung der Batterie durch den Elektromotor vorgenommen. Bei einem Elektrofahrzeug wird dieser Zustand typischerweise beim Bremsen eingenommen. Beim Bremsen wird versucht, möglichst viele Energie aus der Bewegung des Fahrzeugs wieder zurückzugewinnen und in der Batterie zu speichern. Dabei ist im Rückspeisebetriebszustand der Halbleiterschalter eingeschaltet. D.h., soll eine Rückspeisung stattfinden, wird die ansonsten für eine Rückspei- sung sperrende Diode der Umrichterschaltung durch den Halbleiterschalter überbrückt. Schließlich wird bei einer Störung des Umrichters der Halbleiterschalter abgeschaltet. Dadurch wiederum wird in Verbindung mit der sperrenden Diode verhindert, dass die Batterie überladen wird.

Für die Feststellung einer Störung des Umrichters gibt es verschiedene Möglichkeit. Da es für das vorliegende Verfahren vor allem darauf ankommt, eine Überspannung für die Batterie zu vermeiden, wird bevorzugt ein die Spannung auf der einpha- sigen Eingangsseite des Umrichters repräsentierender Wert ermittelt wird und, sofern dieser Wert einen Schwellwert zumindest erreicht, eine Störung des Umrichters festgestellt und somit zweckmäßig der Halbleiterschalter abgeschaltet, sofern er angeschaltet ist. Beispielsweise kann hierzu die Spannung über einen Zwischenkreiskondensator gemessen werden, der auf der einphasigen Seite des Umrichters vorgesehen ist.

Ist der Halbleiterschalter bei Auftreten einer Störung des Umrichters angeschaltet, so verhindert die Diode ohne weitere Aktion eine Weitergabe der Überspannung an die Batterie. In diesem Fall wird verhindert, dass der Halbleiterschalter beispielsweise bei einem Bremsvorgang angeschaltet wird. Es ist vorteilhaft, wenn der Umrichter selbst so ausgelegt ist, dass er die Spannungen, die bei Wegfall des feldschwächenden Stroms auftreten können aushält. Dann ist kein separater Schutz für den Umrichter selbst notwendig.

Die PrüfSchaltung wiederum wird eingesetzt, um jederzeit ermitteln zu können, ob der Halbleiterschalter und die Diode ihre gewünschten oder erwarteten Leitungszustände auch tatsächlich einnehmen. Dabei muss zur Prüfung der Durchlassfä- higkeit der Diode die Batteriespannung größer sein als die

Zwischenkreisspannung. Das ist im Motorbetriebszustand, d.h. bei Beschleunigung der Fall. Zur Prüfung der Sperrfähigkeit muss die Zwischenkreisspannung größer sein als die Batteriespannung. Dieser Fall tritt beim Rückspeisen aus dem Elektro- motor in die Batterie ein. Der Halbleiterschalter und die Diode nehmen dann die Differenzspannung aus Zwischenkreisspannung und Batteriespannung auf. Die Schaltfähigkeit des Halbleiterschalters kann dann beispielsweise durch aktives Einschalten des Halbleiterschalters geprüft werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Motorbetriebszustand, d.h. während des „Gasgebens" der Umrichter kurzfristig umgeschaltet wird in den Rückspeisezustand. Während der kurzen Zeit des Umschaltens wird dann der Halbleiterschalter auf seine Funktion geprüft. Die Zeit der Umschaltung ist dabei bevorzugt so kurz bemessen, dass es zu keiner merklichen Verzögerung des Elektrofahrzeugs kommt.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren zeigen dabei im Einzelnen

Figur 1 eine PrüfSchaltung, Figur 2 ein Antriebssystem mit PrüfSchaltung,

Figur 3 ein Betriebsschema für das Antriebssystem, Figur 4 das Verhalten der Impedanz der PrüfSchaltung in Abhängigkeit von der Frequenz. Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer beispielhaften PrüfSchaltung 11 für einen Halbleiterschalter 31. Der Halbleiterschalter 31 kann beliebigen Typs sein und ist deshalb in Figur 1 nur als einfacher Schalter dargestellt. Die spannungsabhängige Ausgangskapazität des Halbleiterschalters 31 ist dabei als zusätzlicher Kondensator 41 dargestellt.

Die PrüfSchaltung 11 selbst weist nun einen parallel zum Halbleiterschalter 31 vorgesehenen Zusatzkondensator 32 auf. Dieser dient dazu, die spannungsabhängige Ausgangskapazität des Halbleiterschalters 31 zu vergrößern und dadurch unabhängiger von der Spannung zu machen. Folgend auf den Zusatzkondensator 32 ist dann eine Reihenschaltung 44 vorgesehen. Die- se weist in Reihe einen ersten Reihenkondensator 34, einen

Transformator 33, eine Reiheninduktivität 35 und einen zweiten Reihenkondensator 36 auf. Auf die Reihenschaltung 44 folgen eine erste und zweite Wechselspannungsquelle 37, 38, die parallel zueinander angebunden sind an die Reihenschaltung 44. Weiterhin sind mit dem Ende der Reihenschaltung 44 eine erste und eine zweite Messstelle 39, 40 verbunden.

Die Komponenten der Reihenschaltung 44 bilden zusammen mit dem Halbleiterschalter 31 eine frequenzabhängige Impedanz. Das Verhalten dieser Impedanz wird ausgewertet, um zu erkennen, ob der Schaltzustand des Halbleiterschalters 31 dem gewünschten Schaltzustand entspricht, der - je nach Art des Halbleiterschalters 31 - beispielsweise über die an sein Gate angelegte Spannung bestimmt wird.

Zur Erläuterung der Vorgehensweise wird auf die Figur 4 Bezug genommen. Figur 4 zeigt den Verlauf der Gesamtimpedanz von Reihenschaltung 44 und Halbleiterschalter 31 in Abhängigkeit von der Frequenz. Dabei entspricht ein erster Verlauf 45, der ein Impedanzminimum bei einer ersten Testfrequenz aufweist, dem Verhalten bei geschlossenem Halbleiterschalter 31. Ein zweiter Verlauf 46, der ein Impedanzminimum bei einer zweiten Testfrequenz aufweist, entspricht hingegen dem Verhalten bei geöffnetem Halbleiterschalter 31. Da bei geschlossenem Schalter dessen Ausgangskapazität kurzgeschlossen ist, ist die erste Testfrequenz niedriger als die zweite Testfrequenz.

Die erste Wechselspannungsquelle 37 wird nun so betrieben, dass sie eine Wechselspannung mit der ersten Testfrequenz als Frequenz erzeugt. Die zweite Wechselspannungsquelle 38 wird so betrieben, dass sie eine Wechselspannung mit der zweiten Testfrequenz als Frequenz erzeugt. Die Wechselspannungsquel- len 37, 38 können dabei gleichzeitig, abwechselnd, durchgehend, oder nur zu bestimmten Testzeiten betrieben werden.

Aus der frequenzabhängigen Impedanz der Reihenschaltung 44 und des Halbleiterschalters 31 ergibt sich in Zusammenhang mit der Schalterstellung des Halbleiterschalters 31 und den in den Wechselspannungsquellen 37, 38 integrierten Widerständen eine Stärke für jede der beiden Wechselspannungen, die in diesem Ausführungsbeispiel auf der Seite der Reihenschaltung 44 gemessen wird, die den Wechselspannungsquellen 37, 38 zu- gewandt ist.

Dazu weist die erste Messstelle 38 einen Tiefpassfilter 42 auf, der auf die verwendete erste Testfrequenz abgestimmt ist. Auf den Tiefpassfilter 42 folgen eine Diode und parallel zueinander ein Kondensator und ein Widerstand. An dem Widerstand ist ein Signal abgreifbar, das der Impedanz der Reihenschaltung 44 und des Halbleiterschalters 31 bei der ersten Testfrequenz entspricht. Wie Figur 4 entnehmbar ist, wird dieser Wert bei geöffnetem Schalter einen von konkreten Ei- genschaften der einzelnen Bauteile und der Spannung am Halbleiterschalter 31 abhängigen Wert aufweisen. Ist der Schalter jedoch geschlossen, wird der Wert praktisch Null werden.

Die zweite Messstelle 39 wiederum weist einen Hochpassfilter 43 auf, der auf die verwendete zweite Testfrequenz abgestimmt ist. Auf den Hochpassfilter 43 folgen wieder eine Diode und parallel zueinander ein Kondensator und ein Widerstand. An dem Widerstand ist ein Signal abgreifbar, das in diesem Fall der Impedanz der Reihenschaltung 44 und des Halbleiterschalters 31 bei der zweiten Testfrequenz entspricht. Wie Figur 4 entnehmbar ist, wird dieser Wert bei geschlossenem Schalter einen von konkreten Eigenschaften der einzelnen Bauteile und der Spannung am Halbleiterschalter 31 abhängigen Wert aufweisen. Der Wert wird hier praktisch Null sein, wenn der Schalter geöffnet ist.

Die beiden Messstellen 38, 39 bieten also eine deutlich Indi- kation dafür, ob der Schalter tatsächlich geschlossen agiert, d.h. leitet und somit die Spannung über den Halbleiterschalter 31 bis auf einen vom konkreten Halbleiterschalter 31 abhängigen Restwert verschwindet und die Eigenkapazität kurzgeschlossen ist. Ebenso wird ermittelbar, ob der Halbleiter- Schalter 31 tatsächlich ausgeschaltet agiert, d.h. sperrt. Je nach Betriebsart der Wechselspannungsquellen 37, 38 kann diese Prüfung kontinuierlich stattfinden.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf bestimmte Arten von Halbleiterschalter 31, sondern kann für jedes Halbleiterschalter 31 wie beispielsweise MOSFETs, IGBTs, aber auch für Dioden angewandt werden. Eine spezielle Anwendung wird im Folgenden anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Figur 2 beschrieben.

Im zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, beispielsweise ein Elektroauto betrachtet. Das Antriebssystem weist einen Elektromotor 1 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine auf. Der Elektromotor 1 wird im Feldschwächebetrieb verwendet. Seine drei Phaseneingänge sind in bekannter Art verbunden mit den Ausgangsleitungen 9 eines Umrichters 2. Der Umrichter 2 weist in herkömmlicher Bauart ausgehend von jeder der drei Ausgangsleitungen 9 des Elektromotors 1 zwei Paare von je einer parallel geschalteten Diode und Halbleiterschalter auf, die dann in bekannter Form zu zwei Eingangsleitungen 8 zusammengeführt sind. Die beiden Eingangsleitungen 8 sind über einen Zwischenkreiskondensator 3 verbunden. Weiterhin führen die beiden Eingangsleitungen 8 zu den Anschlüssen einer DC-Batterie 4. Zwischen dem positiven An- schluss der Batterie 4 und dem Umrichter 2 ist eine Batterie- Schutzeinrichtung 6 vorgesehen. Die Batterieschutzeinrichtung 6 besteht aus einer Diode 5 und einem parallel zur Diode 5 geschalteten IGBT 7. Die Diode 5 ist dabei so eingesetzt, dass sie in Richtung von der Batterie 4 weg leitet und in Richtung vom Umrichter 2 zur Batterie 4 sperrt. Der IGBT 7 ist mit einer Steuerung 10 verbunden. Die Steuerung 10 weist weiterhin zwei elektrische Verbindungen zu einer Spannungsmessung auf. Damit kann die über den Zwischenkreiskondensator 3 abfallende Spannung gemessen werden.

Der Betrieb des Antriebssystems wird im Folgenden anhand des AblaufSchemas, das in Figur 3 dargestellt ist, erläutert. Es wird dabei davon ausgegangen, dass in einem Motorstart- Schritt 20 das hier betrachtete Elektrofahrzeug gestartet wird. Das muss bei Elektromotoren nicht unbedingt ein tat- sächliches Laufen der Motoren wie bei den Verbrennungsmotoren bedeuten, es soll lediglich den Ausgangspunkt bedeuten. Ist das Elektrofahrzeug fahrbereit, befindet es sich in einem Zwischenzustand, in dem keine Rückspeisung aus dem Motor stattfindet, aber auch kein Antrieb des Motors. Dieser Zu- stand, d.h. ein Leerlauf, tritt auch später immer wieder auf, soll aber nicht näher beschrieben werden.

In der Folge werden zwei Betriebszustände betrachtet, die sich gewöhnlich abwechseln und auch im Wechsel mit dem be- reits erwähnten Leerlauf auftreten. Nach dem Motorstart 20 wird üblicherweise zuerst der Motorbetrieb 22 auftreten. In diesem Schritt oder Betriebszustand wird der Elektromotor 1 aus der Batterie 4 gespeist, um das Elektrofahrzeug anzutreiben. Im Motorbetrieb 22 ist der IGBT 7 ausgeschaltet.

Soll das Elektrofahrzeug gebremst werden, so schaltet das Antriebssystem auf den Bremsbetrieb 23 um. Im Bremsbetrieb 23 findet dann eine Rückspeisung aus dem Elektromotor 1 in die Batterie 4 statt, um die Batterie 4 wieder aufzuladen und somit eine Energierückgewinnung durchzuführen. Der Umrichter 2 wird dann als Gleichrichter verwendet. Da in diesem Fall die Diode 5 blockierend wirkt, wird im Bremsbetrieb 23 der IGBT 7 eingeschaltet, um die Diode 5 zu überbrücken und die Rückspeisung zu ermöglichen.

Die Steuerung 10 führt die An- und Abschaltung des IGBTs 7 durch. Dabei misst sie die über den Zwischenkreiskondensator 3 abfallende Spannung und bestimmt anhand eines vorab festgelegten Schwellwerts für die Spannung, ob der Umrichter 2 ordnungsgemäß arbeitet. Fällt der Umrichter 2 aus, so fehlt der feldschwächende Strom und die Magnete im Elektromotor 1 induzieren eine erhöhte Spannung in den Ausgangsleitungen 9. Wird diese Spannung über den Umrichter 2 weitergegeben in die Eingangsleitungen 8, so kann diese Spannung zu einer Schädigung der Batterie 4 führen. Die Steuerung 10 stellt jedoch anhand der Spannungsmessung fest, ob ein solcher Fehlerfall 21 vorliegt. Liegt der Fehlerfall 21 vor, so schaltet die Steuerung 10 den IGBT 7 ab. Dadurch wird die Stromleitung in Richtung auf die Batterie 4 zu wieder unterbunden, da die Diode 5 sperrt. Somit wird eine Beschädigung der Batterie 4 vermieden .

Für die Funktion der Batterie in einem Elektrofahrzeug ist es sehr vorteilhaft, wenn zu jeder Zeit gewährleistet ist, dass die Batterieschutzeinrichtung 6 durchlass- und sperrfähig ist. Um dies prüfen zu können, ist bei der Schaltung der Figur 2 eine PrüfSchaltung 11 für die Batterieschutzeinrichtung 6 hinzugefügt, die in Figur 2 nur vereinfacht angedeutet ist. Die PrüfSchaltung 11 erlaubt eine ständige oder auch periodische Prüfung des tatsächlichen Leitungszustands der Batterieschutzeinrichtung 6. Da gerade im Elektrofahrzeug im Bereich der Batterieschutzeinrichtung 6 Spannungen von mehr als 600 V auftreten können, ist es besonders vorteilhaft, dass die Prüfung hier bedingt durch den Transformator 33 potentialgetrennt erfolgen kann. Der Teil der PrüfSchaltung 11 jenseits des Transformators kann somit auf erdnahem Potential betrie- ben werden, insbesondere auch die Messstellen 39, 40 und eine damit ggfs. verbundener Auswerteprozessor, egal ob dieser nun extra für die PrüfSchaltung 11 vorgesehen ist oder ein anderer bereits vorhandener Mikroprozessor mitgenutzt wird.

Im zweiten Ausführungsbeispiel ist es für die Prüfung der Durchlassfähigkeit der Diode 5 notwendig, dass die Spannung der Batterie 4 höher ist als die Zwischenkreisspannung. Das ist im Motorbetrieb 22 der Fall. Für die Prüfung der Sperrfä- higkeit muss hingegen die Zwischenkreisspannung höher als die Spannung der Batterie 4 sein. Das ist im Bremsbetrieb 23, also bei Rückspeisung in die Batterie 4 der Fall. In diesem Fall kann sowohl die Sperrfähigkeit als auch die Leitfähigkeit des IGBT 7 geprüft werden, indem dieser ab- oder ange- schaltet wird.

Um auch während des Motorbetriebs 22 die Sperr- und Leitfähigkeit des IGBT 7 prüfen zu können, wird in diesem Ausführungsbeispiel für die Erfindung während des Motorbetriebs 22 kurzzeitig in den Bremsbetrieb 23 umgeschaltet. Hierbei wird zweckmäßig keinerlei mechanische Bremsung durchgeführt, sondern lediglich der Bremsbetrieb 23 kurzzeitig verwendet, um im Zwischenkreis eine Spannung zu erzeugen, die über der Spannung der Batterie 4 liegt. Dadurch wird während der kur- zen Umschaltzeit in den Bremsbetrieb 23 eine Prüfung des IGBT 7 ermöglicht. Die Dauer der Umschaltung in den Bremsbetrieb 23 ist dabei zweckmäßig so bemessen, dass zum Einen die Prüfung des IGBT 7 ermöglicht ist und zum anderen durch die Trägheit der mechanischen Komponenten des Elektrofahrzeugs gewährleistet ist, dass für den Fahrer des Fahrzeugs keinerlei merkliche Auswirkungen zu erwarten sind.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Funktionsprüfung für ein Bauelement (31, 5,

6, I)₁ mit den Schritten: - Verbindung des Bauelements (31, 5, 6, 7) mit einer elektrischen PrüfSchaltung (11), die einen Transformator (33) um- fasst,

- Erzeugung wenigstens einer Wechselspannung in der Prüfschaltung (11) , - Ermittlung der vom Leitfähigkeitszustand des Bauelements (31, 5, 6, 7) abhängigen Impedanz von PrüfSchaltung (11) und Bauelement (31, 5, 6, 7) für die Wechselspannung,

- Ermittlung des Leitfähigkeitszustands aus der Impedanz.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 mit den weiteren Schritten:

- Auswahl eines zu prüfenden Leitfähigkeitszustands,

- Auswahl einer Frequenz für die Wechselspannung, die an den zu prüfenden Leitfähigkeitszustand angepasst ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Frequenz so ausgewählt wird, dass im zu prüfenden Leitfähigkeitszustand die Impedanz nahezu Null wird.

4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Schalter (31, 7) als Bauelement (31, 7) verwendet wird und zwei zu prüfende Leitfähigkeitszustände ausgewählt werden, wobei ein erster zu prüfender Leitfähigkeitszustand den eingeschalteten Schalter (31, 7) repräsentiert und ein zweiter zu prüfender Leitfähigkeitszustand den ausgeschalteten Schalter (31, 7) repräsentiert.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem zwei Wechselspannungen erzeugt werden.

6. PrüfSchaltung (11) zur Funktionsprüfung für ein Bauelement (31, 5, 6, I)₁ aufweisend:

- einen Transformator (33) , - wenigstens eine Einspeiseschaltung (37, 38) zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer festlegbaren Frequenz,

- wenigstens eine Messschaltung (39, 40) zur Ermittlung der Impedanz von PrüfSchaltung (11) und Bauelement (31, 5, 6, 7) bei der Frequenz.

7. PrüfSchaltung (11) gemäß Anspruch 6, bei der die Einspeiseschaltung (37, 38) mit der Sekundärspule des Transformators (33) verbunden ist und seine Primärspule parallel zum Bauele- ment (31, 5, 6, 7) liegt.

8. PrüfSchaltung (11) gemäß Anspruch 6 oder 7 mit wenigstens einem Reihenkondensator (36) und wenigstens einer Reiheninduktivität (35) , die in Reihe zum Transformator (33) geschal- tet sind.

9. Elektrische Schaltung aus wenigstens einem Bauelement (31, 5, 6, 7) und einer PrüfSchaltung (11) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8.

10. Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 9, bei der das Bauelement (31, 5, 6, 7) ein Halbleiterbauelement (5, 7) oder eine Gruppe (6) aus mehreren Bauteilen ist.

11. Umrichterschaltung mit einem Überspannungsschutz (6), aufweisend:

- einen Umrichter (2) zur Wandlung einer einphasigen Spannung in eine dreiphasige Spannung,

- eine Diode (5) , die auf der einphasigen Seite des Umrich- ters (2) vorgesehen ist, und

- einen parallel zur Diode (5) geschalteten Halbleiterschalter (7) .

- eine einphasigen Batterie (4), die mit der einphasigen Eingangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist. - eine PrüfSchaltung (11) für die Diode (5) und den Halbleiterschalter (7) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.