EP3949123A1 - Schutzvorrichtung für eine treiberschaltung und verfahren zum schutz einer treiberschaltung - Google Patents

Schutzvorrichtung für eine treiberschaltung und verfahren zum schutz einer treiberschaltung

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Publication number
EP3949123A1
EP3949123A1 EP20712533.7A EP20712533A EP3949123A1 EP 3949123 A1 EP3949123 A1 EP 3949123A1 EP 20712533 A EP20712533 A EP 20712533A EP 3949123 A1 EP3949123 A1 EP 3949123A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
driver circuit
semiconductor switch
voltage drop
series resistor
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20712533.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Bruckhaus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3949123A1 publication Critical patent/EP3949123A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0812—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/24—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to undervoltage or no-voltage

Definitions

  • Protection device for a driver circuit and method for protecting a
  • the present invention relates to a protection device for a
  • Driver circuit for controlling a semiconductor switch and a method for protecting a driver circuit for controlling a semiconductor switch.
  • the present invention also relates to a control device for a
  • Electric drive systems such as are used, for example, in fully or partially electrically driven vehicles, generally comprise an electric machine that is fed by a power converter.
  • the converter usually includes several half bridges
  • Power semiconductor switches These power semiconductor switches are controlled via a driver circuit which amplifies the control signals in order to provide sufficient electrical power for controlling the power semiconductor switches.
  • the document DE 10 2015 217 175 A1 discloses a control circuit for an inverter of a vehicle.
  • the inverter is designed to convert a DC voltage from an electrical energy store into a
  • the control circuit comprises a driver unit which generates inverter control signals for the switching elements of the inverter.
  • a short circuit can occur between the control connection of the power semiconductor switch and a further output of the power semiconductor switch. Such a short circuit can damage an output of a driver stage for the
  • the present invention discloses a protection device for a
  • Driver circuit for controlling a semiconductor switch as well as a method for protecting a driver circuit for controlling a semiconductor switch with the features of the independent claims. More beneficial
  • Embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the driver circuit is by means of an electrical
  • the protective device is designed to detect a voltage drop across the series resistor of the driver circuit.
  • the protection device is also designed to deactivate the driver circuit when a predetermined characteristic has been detected in the detected voltage drop.
  • the driver circuit can be deactivated when the detected voltage drop exceeds a predetermined value for at least a predetermined period of time.
  • the method includes a step of detecting a
  • the driver circuit is deactivated when the detected voltage drop exceeds a predetermined threshold value for at least a predetermined period of time.
  • the present invention is based on the knowledge that in the event of a fault, in particular in the case of a breakdown, a
  • Control connection and another connection of the power semiconductor switch can come.
  • a driver circuit which feeds the control input of the power semiconductor switch can be very heavily loaded, that is, a relatively high electrical current can flow.
  • This heavy load on the output of the driver circuit can possibly lead to further damage within the driver stage or also further components. As a result, there is the risk that a fault in a power semiconductor switch will lead to further damage to the driver circuit.
  • a defective power semiconductor switch is detected early and the affected driver stage is then deactivated for this semiconductor switch, it may be possible to prevent the error from spreading to other components.
  • This enables, for example, an electrical system in the event of a fault in a safe operating state, for example an active one Short circuit or the like. In this way, the safety of an electric drive system can be increased.
  • the protection device comprises a low-pass filter.
  • the low-pass filter is designed to filter the detected voltage drop across the series resistor.
  • the low-pass filter can be designed to filter higher-frequency components in the detected voltage drop. The usual switching operations during control of the
  • the protective device comprises a
  • the comparison device is designed to compare a value of the detected voltage drop across the series resistor with a predetermined threshold value. If the detected voltage drop across the series resistor, in particular the smoothed or low-pass filtered voltage drop across the series resistor, exceeds a predetermined threshold value, this can be interpreted as an indication that the output of the driver circuit for the semiconductor switch is heavily loaded over a longer period of time. This usually only occurs in the event of an error.
  • the predetermined threshold value is
  • Threshold value of the comparison device as a function of a
  • Supply voltage of the driver circuit can be adjusted. Will the Driver circuit provides more than one voltage, so the
  • Threshold value as a function of at least one of the several
  • Supply voltages can be adjusted.
  • Threshold values for the detection of a fault can also fluctuate in the framework conditions, such as a fluctuating one
  • the protective device comprises a
  • the memory device is designed to transition from a first state to a second state when the
  • Comparison device has detected that the voltage drop has exceeded the predetermined threshold value.
  • the predetermined threshold value In particular, the
  • Storage device retain the second state even if the voltage drop across the series resistor falls below the predetermined threshold value again. In this way, a permanent shutdown of the driver circuit after the detection of an error can be guaranteed.
  • the memory device can be a bistable multivibrator, such as a flip-flop or the like.
  • the memory device can be reset by applying a suitable reset signal, that is to say transferred to the first state.
  • the driver circuit can be activated for driving the semiconductor switch.
  • control device for a semiconductor switch with a driver circuit and a protective device is provided.
  • the driver circuit is designed to be connected to a control input of the
  • Semiconductor switch to provide a control signal.
  • each Driver circuit is designed to at least one of the plurality
  • the inverter arrangement there is a separate one for each semiconductor switch of the plurality of semiconductor switches
  • Figure 1 a schematic representation of a control device for a
  • Figure 2 a schematic representation of a control device for a
  • FIG. 3 a schematic representation of an inverter arrangement according to an embodiment
  • Figure 4 a flow chart of how a method for protecting a
  • Driver circuit is based.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a block diagram of a
  • Control device for controlling a semiconductor switch 3 comprises a driver circuit 2 and a protection device 1 for the
  • Control signal are provided, which is processed by the driver circuit 2 in order to provide a control signal at the output A of the driver circuit 2 which has a sufficient voltage level and power to drive a control terminal of the semiconductor switch 3.
  • the input signal of the driver circuit 2 can be received and processed by a circuit 23, for example a gate driver IC or the like.
  • the signal can then be amplified by an amplifier circuit 22 and provided at output A via a series resistor 21.
  • the output A of the driver circuit 2 is electrically coupled to the control connection of the semiconductor switch 3, so that the signal provided at the output A can control the semiconductor switch 3.
  • a short circuit can also occur between the control connection of the semiconductor switch 3 and a further connection of the semiconductor switch 3. This short circuit can lead to the fact that a larger current can flow from the output connection A of the driver circuit 2 in the direction of the semiconductor switch 3 for a longer period of time. This high current flow also leads to a corresponding voltage drop across the series resistor 21.
  • the protective device 1 for the driver circuit 2 is coupled to the driver circuit 2 in such a way that the protective device 1 can detect a voltage drop across the series resistor 21.
  • a fault in the semiconductor switch 3 leads to a longer current flow and, associated therewith, also to a voltage drop across the series resistor 21, which lasts for a longer time.
  • Such a voltage drop, which lasts longer than a predetermined period of time, can be detected by the protective device 1.
  • the protective device 1 can then deactivate the driver circuit 2. For example, the protective device 1 on the
  • Driver circuit 2 provide a control signal which activates or deactivates driver circuit 2.
  • the driver circuit 2 can only be activated as long as an active release signal is present from the protective device 1. If this active release signal is switched off, the driver circuit 2 is then also deactivated. Conversely, it is of course also possible for the protective device 1 to output an active signal for deactivating the driver circuit 2.
  • the normal control pulses for driving the semiconductor switch 2 cause only relatively brief voltage drops across the series resistor 21 during normal operation. In the event of a fault, however, a voltage drop across the series resistor 21 can be detected for a longer period of time.
  • a low-pass filter 11 can be provided in the protective device 1 for the driver circuit 2, which filters a signal corresponding to the voltage drop across the series resistor 21. In this way, higher-frequency signal components can be eliminated or at least minimized, so that only the low-frequency component of the voltage drop across the series resistor 21 is evaluated for further evaluation. Any desired low-pass filter, for example an R-C element or the like, can be used for the low-pass filtering.
  • the correspondingly processed signal can then be fed to a comparison device 12, which compares the detected voltage drop across the series resistor 21 with a predetermined threshold value. If the detected voltage drop across the series resistor 21 exceeds the predetermined threshold value, this can be interpreted as an indication that an error has occurred in the semiconductor switch 3. If necessary, the specified threshold value with which the
  • Comparison device 12 compares the voltage drop across the series resistor 21. For example, the threshold for the
  • Comparison can be adapted as a function of a supply voltage of the driver circuit 2.
  • Electric currents from the driver circuit 2 to the control terminal of the semiconductor switch 3 vary depending on the level of
  • An output of the comparison device 12 can be coupled to a storage device 13.
  • the storage device 13 can, for example, change from a first state to a second state when the
  • Comparison device 12 detects that the voltage drop across the series resistor 21 exceeds the predetermined threshold value.
  • the memory device 13 can also remain in the second state, even if the voltage drop across the series resistor 21 falls again below the predetermined threshold value. In this way, the
  • the memory device 13 After a fault has been detected, that is, the voltage drop across the series resistor 21 has been exceeded for a predefined period of time, the memory device 13 detects a fault and provides a switch-off signal for deactivating the driver circuit 2. This switch-off signal should be maintained permanently after an error has been detected.
  • a flip-flop or the like can be used for this purpose.
  • the memory device 13 can be reset by means of a reset signal (reset).
  • Figure 2 shows a schematic representation of a block diagram of a
  • the control device according to FIG. 2 differs from the control device described above in particular in that the driver IC 23 of the driver circuit 2 splits the control signal into two signals.
  • the corresponding signal paths are indicated by the letters a and b marked.
  • the upper path a can, for example, carry a positive output current. In this case, the path b is then high-resistance.
  • the lower path b can carry a negative output current. In this case, the path a is then high-resistance. In this way, separate control signals for opening and closing the semiconductor switch 3 are generated.
  • the control device for controlling the semiconductor switch 3, and in particular the protective device 1 corresponds to the previously described embodiment according to FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an inverter arrangement according to one embodiment.
  • the inverter arrangement can
  • a protective device 1 according to one of the previously described embodiments can be provided for each driver circuit 2. In this way, individual protection can be provided for the driver circuits 2 of the semiconductor switch 3. Especially when in one of the
  • Semiconductor switch 3 a fault, in particular a short circuit between
  • the inverter circuit is provided, for example, to control an electrical machine, in the event of a fault in one of the semiconductor switches 3, the
  • Inverter arrangement can be transferred to a safe operating state.
  • such a safe operating state can be an active short circuit in which all upper or lower
  • Semiconductor switches are closed at the same time. If, for example, a fault occurs in one of the lower semiconductor switches 3 and a short circuit associated therewith occurs in the corresponding semiconductor switch 3, the remaining two lower semiconductor switches can also be closed. The three upper semiconductor switches 3 are all opened. Analog can also be used for a Short circuit of one of the upper semiconductor switches 3 can be proceeded. By deactivating the driver circuit of a defective semiconductor switch 3, it is still possible to safely control the remaining semiconductor switches 3.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a flowchart on the basis of a method for protecting a driver circuit for controlling a semiconductor switch according to one embodiment. The method can in particular be applied to a driver circuit 2 for controlling a
  • step S1 a voltage drop across the series resistor 21 of the driver circuit 2 is detected.
  • step S2 the driver circuit 2 is deactivated when a predetermined characteristic has been detected in the detected voltage drop.
  • the predetermined characteristic can be, for example, the voltage drop being exceeded over a
  • the voltage drop can be filtered by means of a low-pass filter and the filtered voltage drop can be compared with a threshold value.
  • the control of the semiconductor switch can be deactivated. This deactivation can also be maintained if the detected voltage drop falls below the specified threshold value again.
  • the present invention relates to the protection of a
  • Driver circuit for controlling a semiconductor switch For this purpose, a voltage drop in a series resistor between the driver circuit and a control connection of the semiconductor switch is evaluated. If the voltage drop across the series resistor exceeds a predetermined threshold value and this threshold value is exceeded for at least a predetermined period of time, the driver circuit for the semiconductor switch is then deactivated.

Landscapes

  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft den Schutz einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters. Hierzu wird ein Spannungsabfall in einem Vorwiderstand zwischen der Treiberschaltung und einem Steueranschluss des Halbleiterschalters ausgewertet. Überschreitet der Spannungsabfall über dem Vorwiderstand einen vorgegebenen Schwellwert und ist dieser Schwellwert für mindestens eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten, so wird daraufhin die Treiberschaltung für den Halbleiterschalter deaktiviert.

Description

Beschreibung
Titel
Schutzvorrichtung für eine Treiberschaltung und Verfahren zum Schutz einer
Treiberschaltung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine
Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters und ein Verfahren zum Schutz einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Steuervorrichtung für einen
Halbleiterschalter sowie eine Wechselrichteranordnung.
Stand der Technik
Elektrische Antriebssysteme, wie sie beispielsweise in ganz oder teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen Verwendung finden, umfassen in der Regel eine elektrische Maschine, die von einem Stromrichter gespeist wird. Der Stromrichter umfasst dabei in der Regel mehrere Halbbrücken mit
Leistungshalbleiterschaltern. Diese Leistungshalbleiterschalter werden über eine Treiberschaltung angesteuert, welche die Steuersignale verstärken, um eine ausreichende elektrische Leistung zur Ansteuerung der Leistungshalbleitschalter bereitzustellen.
Die Druckschrift DE 10 2015 217 175 Al offenbart eine Ansteuerschaltung für einen Wechselrichter eines Fahrzeugs. Der Wechselrichter ist dazu ausgelegt, eine Gleichspannung aus einem elektrischen Energiespeicher in einen
Wechselstrom zu wandeln, mit dem eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs betrieben wird. Die Ansteuerschaltung umfasst eine Treibereinheit, welche Wechselrichter- Steuersignale für die Schaltelemente des Wechselrichters erzeugt. Im Falle eines Defekts eines Leistungshalbleiterschalters kann es zu einem Kurzschluss zwischen dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters und einem weiteren Ausgang des Leistungshalbleiterschalters kommen. Durch einen solchen Kurzschluss kann ein Ausgang einer Treiberstufe für das
Ansteuern des Leistungshalbleiterschalters stark belastet werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Schutzvorrichtung für eine
Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters, sowie ein Verfahren zum Schutz einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Schutzvorrichtung für eine Treiberschaltung zur Ansteuerung eines
Halbleiterschalters. Die Treiberschaltung ist mittels eines elektrischen
Vorwiderstands mit einem Steueranschluss des Halbleiterschalters elektrisch gekoppelt. Die Schutzvorrichtung ist dazu ausgelegt, einen Spannungsabfall über dem Vorwiderstand der Treiberschaltung zu erfassen. Die Schutzvorrichtung ist ferner dazu ausgelegt, die Treiberschaltung zu deaktivieren, wenn in dem detektierten Spannungsabfall eine vorbestimmte Charakteristik detektiert worden ist. Insbesondere kann die Treiberschaltung deaktiviert werden, wenn der detektierte Spannungsabfall mindestens eine vorgegebene Zeitdauer einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Schutz einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines
Halbleiterschalters, wobei die Treiberschaltung mittels eines elektrischen
Vorwiderstands mit dem Steueranschluss des Halbleiterschalters elektrisch gekoppelt ist. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erfassen eines
Spannungsabfalls über dem Vorwiderstand der Treiberschaltung, und einen Schritt zum Deaktivieren der Treiberschaltungen, wenn in dem detektierten Spannungsabfall eine vorbestimmte Charakteristik detektiert worden ist.
Insbesondere erfolgt das Deaktivieren der Treiberschaltung, wenn der detektierte Spannungsabfall mindestens eine vorgegebene Zeitdauer einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einem Fehlerfall, insbesondere bei einem Durchlegieren, eines
Leistungshalbleiterschalters zu einem Kurzschluss zwischen dem
Steueranschluss und einem weiteren Anschluss des Leistungshalbleiterschalters kommen kann. Bei einem solchen Kurzschluss kann eine Treiberschaltung, welche den Steuereingang des Leistungshalbleiterschalters speist, sehr stark belastet werden, das heißt es kann ein relativ hoher elektrischer Strom fließen. Diese starke Belastung des Ausgangs der Treiberschaltung kann gegebenenfalls zu weiteren Beschädigungen innerhalb der Treiberstufe oder auch weiteren Komponenten führen. Hierdurch besteht die Gefahr, dass ein Fehler in einem Leistungshalbleiterschalter zu weiteren Beschädigungen in der Treiberschaltung führt.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Schutz für eine Treiberschaltung eines Halbleiterschalters vorzusehen, welche im Fehlerfall eine zuverlässige Abschaltung der Treiberstufe mit dem fehlerhaften Halbleiterschalter ermöglicht. Auf diese Weise ist es möglich, weiteren Beschädigungen innerhalb der Treiberstufe vorzubeugen. Darüber hinaus kann durch ein möglichst zeitnahes Abschalten der Treiberstufe eines fehlerhaften Halbleiterschalters auch eine Ausbreitung des Fehlers in weitere Komponenten, beispielsweise in weitere Treiberstufen oder ähnliches vermieden werden.
Wird ein fehlerhafter Leistungshalbleiterschalter frühzeitig erkannt und daraufhin die betroffene Treiberstufe für diesen Halbleiterschalter deaktiviert, so ist es gegebenenfalls möglich, eine Ausbreitung des Fehlers in weitere Komponente zu verhindern. Dies ermöglicht es beispielsweise ein elektrisches System im Fehlerfall in einen sicheren Betriebszustand, beispielsweise einen aktiven Kurzschluss oder ähnliches, zu überführen. Auf diese Weise kann die Sicherheit eines elektrischen Antriebssystems erhöht werden.
Darüber hinaus kann durch die Deaktivierung der Treiberschaltung bei einem Fehler in dem angeschlossenen Halbleiterschalter eine Beschädigung weiterer Komponenten verhindern werden. Somit kann die Anzahl der beschädigten Komponenten im Fehlerfall verringert werden. Dies ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Reparatur.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schutzvorrichtung ein Tiefpassfilter. Das Tiefpassfilter ist dazu ausgelegt, den detektierten Spannungsabfall über dem Vorwiderstand zu filtern. Insbesondere kann das Tiefpassfilter dazu ausgelegt sein, höherfrequente Komponenten in dem detektierten Spannungsabfall zu filtern. Die üblichen Schaltvorgänge während der Ansteuerung des
Halbleiterschalters führen in der Regel zu kurzen, höherfrequenten
Schaltimpulsen. Durch eine geeignete Tiefpassfilterung können diese
Schaltimpulse eliminiert oder zumindest minimiert werden, so dass die
Spannungsabfälle über dem Vorwiderstand aufgrund der üblichen Schaltimpulse während des Betriebs keinen signifikanten Einfluss auf das auszuwertende Signal haben.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schutzvorrichtung eine
Vergleichseinrichtung. Die Vergleichseinrichtung ist dazu ausgelegt, einen Wert des detektierten Spannungsabfalls über dem Vorwiderstand mit einem vorbestimmten Schwellwert zu vergleichen. Überschreitet der detektierte Spannungsabfall über dem Vorwiderstand, insbesondere der geglättete oder tiefpassgefilterte Spannungsabfall über dem Vorwiderstand einen vorgegebenen Schwellwert, so kann dies als ein Indiz dafür gedeutet werden, dass der Ausgang der Treiberschaltung für den Halbleiterschalter über einen längeren Zeitraum stark belastet wird. Dies tritt in der Regel nur im Fehlerfall auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Schwellwert der
Vergleichseinrichtung anpassbar. Insbesondere kann der vorbestimmte
Schwellwert der Vergleichseinrichtung in Abhängigkeit von einer
Versorgungsspannung der Treiberschaltung anpassbar sein. Wird die Treiberschaltung von mehr als einer Spannung wersorgt, so kann der
Schwellwert in Abhängigkeit von mindestens einer der mehreren
Versorgungsspannungen angepasst werden. Durch das Anpassen der
Schwellwerte für die Detektion eines Fehlerfalls können auch Schwankungen in den Rahmenbedingungen, wie beispielsweise eine schwankende
Versorgungsspannung oder ähnliches, berücksichtigt werden. So können beispielsweise auch Schwankungen in der Versorgungsspannung der
Treiberschaltung dazu führen, dass sich auch im normalen, fehlerfreien Betrieb, höhere oder niedere Spannungsabfälle über dem Vorwiderstand einstellen.
Durch eine geeignete Anpassung der Detektionsschwellen können derartige Effekte berücksichtigt und kompensiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schutzvorrichtung eine
Speichereinrichtung. Die Speichereinrichtung ist dazu ausgelegt, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand überzugehen, wenn die
Vergleichseinrichtung ein Überschreiten des Spannungsabfalls über den vorbestimmten Schwellwert detektiert hat. Insbesondere kann die
Speichereinrichtung den zweiten Zustand auch dann beibehalten, wenn der Spannungsabfall über dem Vorwiderstand den vorbestimmten Schwellwert wieder unterschreitet. Auf diese Weise kann ein dauerhaftes Abschalten der Treiberschaltung nach der Detektion eines Fehlers gewährleistet werden.
Beispielsweise kann es sich bei der Speichereinrichtung .um eine bistabile Kippschaltung, wie zum Beispiel ein Flipflop oder ähnliches, handeln.
Gegebenenfalls kann die Speichereinrichtung durch Anlegen eines geeigneten Rücksetzsignals zurückgesetzt, das heißt in den ersten Zustand überführt werden. Wenn die sich Speichereinrichtung in dem ersten Zustand befindet, kann die Treiberschaltung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters aktiviert werden.
Weiterhin ist eine Steuervorrichtung für einen Halbleiterschalter mit einer Treiberschaltung und einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung vorgesehen. Die Treiberschaltung ist dazu ausgelegt, an einem Steuereingang des
Halbleiterschalters ein Steuersignal bereitzustellen.
Ferner ist eine Wechselrichteranordnung mit mehreren Halbleiterschaltern und einer zuvor beschriebenen Steuervorrichtung vorgesehen, wobei jede Treiberschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens einen der mehreren
Halbleiterschalter anzusteuern.
Gemäß einer Ausführungsform der Wechselrichteranordnung ist für jeden Halbleiterschalter der mehreren Halbleiterschalter eine separate
Steuereinrichtung vorgesehen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den
Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung für einen
Halbleiterschalter mit einer Schutzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung für einen
Halbleiterschalter mit einer Schutzvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 3: eine schematische Darstellung einer Wechselrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Schutz einer
Treiberschaltung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer
Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters 3 gemäß einer Ausführungsform. Die Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 3 umfasst eine Treiberschaltung 2 und eine Schutzvorrichtung 1 für die
Treiberschaltung 2. An einem Eingang E der Treiberschaltung 2 kann ein
Steuersignal bereitgestellt werden, welches durch die Treiberschaltung 2 aufbereitet wird, um am Ausgang A der Treiberschaltung 2 ein Ansteuersignal bereitzustellen, welches eine ausreichende Spannungshöhe und Leistung aufweist, um einen Steueranschluss des Halbleiterschalters 3 zu treiben. Hierzu kann das Eingangssignal der Treiberschaltung 2 von einem Schaltkreis 23, beispielsweise einem Gatetreiber- IC oder ähnlichem empfangen und aufbereitet werden. Daraufhin kann das Signal von einer Verstärkerschaltung 22 verstärkt und über einen Vorwiderstand 21 am Ausgang A bereitgestellt werden. Der Ausgang A der Treiberschaltung 2 ist elektrisch mit dem Steueranschluss des Halbleiterschalters 3 gekoppelt, so dass das am Ausgang A bereitgestellte Signal den Halbleiterschalter 3 ansteuern kann.
Während des Ansteuerns des Halbleiterschalters 3 erfolgt für einen relativ kurzen Zeitraum ein Stromfluss von dem Ausgang A der Treiberschaltung 2 zu dem Steueranschluss des Halbleiterschalters 3.
Tritt in dem Halbleiterschalter 3 ein Fehlerfall auf, so kann auch zwischen dem Steueranschluss des Halbleiterschalters 3 und einem weiteren Anschluss des Halbleiterschalters 3 ein Kurzschluss auftreten. Dieser Kurzschluss kann dazu führen, dass von dem Ausgangsanschluss A der Treiberschaltung 2 in Richtung des Halbleiterschalters 3 für einen längeren Zeitraum ein größerer Strom fließen kann. Dieser hohe Stromfluss führt dabei auch zu einem korrespondierenden Spannungsabfall über dem Vorwiderstand 21.
Die Schutzvorrichtung 1 für die Treiberschaltung 2 ist mit der Treiberschaltung 2 derart gekoppelt, dass die Schutzvorrichtung 1 einen Spannungsabfall über dem Vorwiderstand 21 detektieren kann. Während normale Schaltvorgänge für den Steueranschluss des Halbleiterschalters 3 nur zu relativ kurzen Stromimpulsen und damit verbundenen kurzen Spannungsabfällen über dem Vorwiderstand 21 führen, führt ein Fehler in dem Halbleiterschalter 3 zu einem längeren Stromfluss und damit verbunden auch zu einem Spannungsabfall über dem Vorwiderstand 21, der über eine längere Zeit andauert. Ein derartiger Spannungsabfall, der länger als eine vorgegebene Zeitdauer anhält, kann von der Schutzvorrichtung 1 erkannt werden. Daraufhin kann die Schutzvorrichtung 1 die Treiberschaltung 2 deaktivieren. Beispielsweise kann die Schutzvorrichtung 1 an der
Treiberschaltung 2 ein Steuersignal bereitstellen, welches die Treiberschaltung 2 aktiviert bzw. deaktiviert. Beispielsweise kann die Treiberschaltung 2 nur solange aktiviert werden, solange von der Schutzvorrichtung 1 ein aktives Freigabesignal anliegt. Wird dieses aktive Freigabesignal abgeschaltet, so wird daraufhin auch die Treiberschaltung 2 deaktiviert. Selbstverständlich ist es auch umgekehrt möglicht, dass die Schutzvorrichtung 1 zur Deaktivierung der Treiberschaltung 2 ein aktives Signal ausgibt.
Wie bereits zuvor ausgeführt, verursachen die normalen Steuerimpulse zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 2 während des normalen Betriebs nur relativ kurzzeitige Spannungsabfälle über dem Vorwiderstand 21. Im Fehlerfall dagegen kann für einen längeren Zeitraum ein Spannungsabfall über dem Vorwiderstand 21 detektiert werden. Um zwischen diesen beiden Zuständen zu unterscheiden, kann in der Schutzvorrichtung 1 für die Treiberschaltung 2 ein Tiefpassfilter 11 vorgesehen sein, welches ein zu dem Spannungsabfall über den Vorwiderstand 21 korrespondierendes Signal filtert. Auf diese Weise können höherfrequente Signalanteile eliminiert oder zumindest minimiert werden, so dass für die weitere Auswertung nur der niederfrequente Anteil des Spannungsabfalls über dem Vorwiderstand 21 ausgewertet wird. Für die Tiefpassfilterung kann ein beliebiges Tiefpassfilter, beispielsweise ein R-C-Glied oder ähnliches verwendet werden.
Das entsprechend aufbereitete Signal kann daraufhin einer Vergleichseinrichtung 12 zugeführt werden, welche den detektierten Spannungsabfall über dem Vorwiderstand 21 mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht. Überschreitet der detektierte Spannungsabfall über dem Vorwiderstand 21 den vorgegebenen Schwellwert, so kann dies als Hinweis darauf gewertet werden, dass in dem Halbleiterschalter 3 ein Fehler aufgetreten ist. Gegebenenfalls kann der vorgegebene Schwellwert, mit dem die
Vergleichseinrichtung 12 den Spannungsabfall über dem Vorwiderstand 21 vergleicht, angepasst werden. Beispielsweise kann die Schwelle für den
Vergleich in Abhängigkeit einer Versorgungsspannung der Treiberschaltung 2 angepasst werden. Eine Variation in der Versorgungsspannung der
Treiberschaltung 2 kann unter Umständen dazu führen, dass auch die
elektrischen Ströme von der Treiberschaltung 2 zu dem Steueranschluss des Halbleiterschalters 3 sich in Abhängigkeit von der Höhe der
Versorgungsspannung ändern. Durch eine (dynamische) Anpassung der Detektionsschwelle in der Vergleichseinrichtung 12 können derartige Effekte berücksichtigt und gegebenenfalls kompensiert werden.
Ein Ausgang der Vergleichseinrichtung 12 kann mit einer Speichereinrichtung 13 gekoppelt sein. Die Speichereinrichtung 13 kann beispielsweise von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand wechseln, wenn die
Vergleichseinrichtung 12 ein Überschreiten des Spannungsabfalls über dem Vorwiderstand 21 über den vorgegebenen Schwellwert detektiert. Darüber hinaus kann die Speichereinrichtung 13 auch in dem zweiten Zustand verbleiben, selbst wenn der Spannungsabfall über dem Vorwiderstand 21 wieder unter den vorgegebenen Schwellwert absinkt. Auf diese Weise kann die
Speichereinrichtung 13 nach einer Detektion eines Fehlers, das heißt einem Überschreiten des Spannungsabfalls über dem Vorwiderstand 21 für eine vorgegebene Zeitdauer, einen Fehlerfall detektieren und ein Abschaltsignal für das Deaktivieren der Treiberschaltung 2 bereitstellen. Dieses Abschaltsignal soll nach der Detektion eines Fehlers dauerhaft aufrechterhalten werden.
Beispielsweise kann hierzu ein Flipflop oder ähnliches eingesetzt werden.
Gegebenenfalls kann die Speichereinrichtung 13 mittels eines Rücksetzsignals (Reset) zurückgesetzt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer
Steuervorrichtung für einen Halbleiterschalter 3 gemäß einer weiteren
Ausführungsform. Die Steuervorrichtung gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Steuervorrichtung insbesondere dadurch, dass das Treiber-IC 23 der Treiberschaltung 2 das Steuersignal in zwei Signale aufspaltet. Die entsprechenden Signalpfade sind durch die Buchstaben a und b gekennzeichnet. Für der Schließen des Halbleiterschalters 3 kann der obere Pfad a beispielsweise einen positiven Ausgangsstrom führen. In diesem Fall ist der Pfad b dann hochohmig. Für der Öffnen des Halbleiterschalters 3 kann der untere Pfad b einen negativen Ausgangsstrom führen. In diesem Fall ist der Pfad a dann hochohmig. Auf diese Weise werden separate Steuersignale für das Öffnen und das Schließen des Halbleiterschalters 3 generiert.. Darüber hinaus entspricht die Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 3 und insbesondere die Schutzvorrichtung 1 der zuvor beschriebenen Ausführungsform gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Wechselrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform. Die Wechselrichteranordnung kann
beispielsweise drei Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltern 3 umfassen. Jeder dieser Halbleiterschalter 3 kann von einer Treiberschaltung 2 angesteuert werden. Darüber hinaus kann für jede Treiberschaltung 2 ein Schutzvorrichtung 1 gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein. Auf diese Weise kann für die Treiberschaltungen 2 der Halbleiterschalter 3 ein individueller Schutz vorgesehen sein. Insbesondere wenn in einem der
Halbleiterschalter 3 ein Fehler, insbesondere ein Kurzschluss zwischen
Steueranschluss und einem weiteren Anschluss auftritt, so kann die
entsprechende Treiberschaltung 2 durch die korrespondierende
Schutzvorrichtung 1 deaktiviert werden. Hierbei wird der Betrieb der
verbleibenden Halbleiterschalter und der dazugehörigen Treiberschaltungen 2 nicht beeinflusst. Insbesondere wenn die Wechselrichterschaltung beispielsweise für eine Ansteuerung einer elektrischen Maschine vorgesehen ist, so kann im Falle eines Fehlers in einem der Halbleiterschalter 3 die
Wechselrichteranordnung in einen sicheren Betriebszustand überführt werden.
Beispielsweise kann es sich bei einem solchen sicheren Betriebszustand um einen aktiven Kurzschluss handeln, bei dem alle oberen oder unteren
Halbleiterschalter gleichzeitig geschlossen sind. Tritt beispielsweise in einem der unteren Halbleiterschalter 3 ein Fehler und ein damit verbundener Kurzschluss in dem entsprechenden Halbleiterschalter 3 auf, so können die verbleibenden beiden unteren Halbleiterschalter ebenfalls geschlossen werden. Die drei oberen Halbleiterschalter 3 werden dabei alle geöffnet. Analog kann auch bei einem Kurzschluss einer der oberen Halbleiterschalter 3 vorgegangen werden. Durch das Deaktivieren der Treiberschaltung eines fehlerhaften Halbleiterschalters 3 ist ein sicheres Ansteuern der übrigen Halbleiterschalter 3 dabei weiterhin möglich.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Schutz einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann insbesondere auf eine Treiberschaltung 2 zur Ansteuerung eines
Halbleiterschalters 3 angewendet werden, wobei die Treiberschaltung 2 mittels eines elektrischen Vorwiderstands 21 mit einem Steueranschluss des
Halbleiterschalters 3 elektrisch gekoppelt ist. In Schritt S1 erfolgt ein Erfassen eines Spannungsabfalls über dem Vorwiderstand 21 der Treiberschaltung 2. In Schritt S2 wird die Treiberschaltung 2 dann deaktiviert, wenn in dem detektierten Spannungsabfall eine vorbestimmte Charakteristik detektiert worden ist. Wie zuvor beschrieben, kann es sich bei der vorbestimmten Charakteristik beispielsweise um ein Überschreiten des Spannungsabfalls über einen
Schwellwert für eine vorbestimmte Zeitdauer handeln. Hierzu kann, wie oben beschrieben, der Spannungsabfall mittels eines Tiefpassfilters gefiltert und der gefilterte Spannungsabfall mit einem Schwellwert verglichen werden.
Überschreitet der detektierte Spannungsabfall einen vorgegebenen Schwellwert, und ist der Schwellwert mindestens eine vorgegebene Zeitdauer überschritten, so kann die Ansteuerung des Halbleiterschalters deaktiviert werden. Diese Deaktivierung kann auch dann aufrechterhalten werden, wenn der detektierte Spannungsabfall den vorgegebenen Schwellwert wieder unterschreitet.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung den Schutz einer
Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters. Hierzu wird ein Spannungsabfall in einem Vorwiderstand zwischen der Treiberschaltung und einem Steueranschluss des Halbleiterschalters ausgewertet. Überschreitet der Spannungsabfall über dem Vorwiderstand einen vorgegebenen Schwellwert und ist dieser Schwellwert für mindestens eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten, so wird daraufhin die Treiberschaltung für den Halbleiterschalter deaktiviert.

Claims

Ansprüche
1. Schutzvorrichtung (1) für eine Treiberschaltung (2) zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters (3), wobei die Treiberschaltung (2) mittels eines elektrischen Vorwiderstands (21) mit einem Steueranschluss des
Halbleiterschalters (3) elektrisch gekoppelt ist, wobei die Schutzvorrichtung (1) dazu ausgelegt ist, einen Spannungsabfall über dem Vorwiderstand (21) der Treiberschaltung (2) zu erfassen und die Treiberschaltung (2) zu deaktivieren, wenn in dem detektierten
Spannungsabfall eine vorbestimmte Charakteristik detektiert worden ist.
2. Schutzvorrichtung (1) nach Anspruch 1, mit einem Tiefpassfilter (11), das dazu ausgelegt ist, den detektierten Spannungsabfall über dem
Vorwiderstand (21) zu filtern.
3. Schutzvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, mit einer
Vergleichseinrichtung (12), die dazu ausgelegt ist, einen Wert des detektierten Spannungsabfalls über dem Vorwiderstand (21) mit einem vorbestimmten Schwellwert zu vergleichen.
4. Schutzvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei der vorbestimmte
Schwellwert anpassbar ist.
5. Schutzvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte
Schwellwert in Abhängigkeit von mindestens einer Versorgungsspannung der Treiberschaltung (2) anpassbar ist.
6. Schutzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, mit einer
Speichereinrichtung (13), die dazu ausgelegt ist, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand überzugehen, wenn die Vergleichseinrichtung (12) ein Überschreiten des Spannungsabfalls über den vorbestimmten Schwellwert detektiert hat.
7. Steuervorrichtung für einen Halbleiterschalter (3), mit: einer Treiberschaltung (2), die dazu ausgelegt ist, an einem Steuereingang des Halbleiterschalters (3) ein Steuersignal bereitzustellen, und einer Schutzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Wechselrichteranordnung, mit: mehreren Halbleiterschaltern (3-i), und mehreren Steuervorrichtungen nach Anspruch 7. wobei jede Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, mindestens einen der mehreren Halbleiterschalter (3-i) anzusteuern.
9. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 8, wobei für jeden
Halbleiterschalter (3-i) der mehreren Halbleiterschalter (3-i) eine separate Steuereinrichtung vorgesehen ist.
10. Verfahren zum Schutz einer Treiberschaltung (2) zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters (3), wobei die Treiberschaltung (2) mittels eines elektrischen Vorwiderstands (21) mit einem Steueranschuss des
Halbleiterschalters (3) elektrisch gekoppelt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Erfassen (Sl) eines Spannungsabfalls über dem Vorwiderstand (21) der Treiberschaltung (2); und
Deaktivieren (S2) der Treiberschaltung (2), wenn in dem detektierten Spannungsabfall eine vorbestimmte Charakteristik detektiert worden ist.
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