EP4620109A1 - Halbleiterschalter mit ausfallabsicherung - Google Patents

Halbleiterschalter mit ausfallabsicherung

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Publication number
EP4620109A1
EP4620109A1 EP23833306.6A EP23833306A EP4620109A1 EP 4620109 A1 EP4620109 A1 EP 4620109A1 EP 23833306 A EP23833306 A EP 23833306A EP 4620109 A1 EP4620109 A1 EP 4620109A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
semiconductor switch
terminal
transistor
circuit
threshold value
Prior art date
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Pending
Application number
EP23833306.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Handt
Michael Hein
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4620109A1 publication Critical patent/EP4620109A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
    • H03K17/102—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
    • H03K17/107—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage in composite switches
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    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6877—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the control circuit comprising active elements different from those used in the output circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0009—AC switches, i.e. delivering AC power to a load

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor switch.
  • the invention has the object of specifying a semiconductor switch with failure protection.
  • semiconductor switch refers to a device for switching current in which a current path is routed via at least one semiconductor component (typically a transistor) and can be interrupted by means of the semiconductor component.
  • semiconductor switches are often still with a galvanic separation, which is usually prescribed by a standard; however, the interruption of the current path is always also carried out by at least one semiconductor component.
  • Examples of such semiconductor switches are protective switches, circuit breakers and motor starters in low-voltage technology.
  • the semiconductor switch according to the invention is formed with a plurality of circuit modules connected in series. These each comprise a first transistor with a source connection, a control connection and a drain connection, the source connection being a source connection or an emitter connection, the control connection being a gate connection or a base connection and the drain connection being a drain connection or a collector connection.
  • the circuit modules are formed with a second transistor which has a source connection, a control connection and a drain connection, the source connection being connected to the control connection of the first transistor and the drain connection being connected to the source connection of the first transistor.
  • the semiconductor switch comprises a driver or a driver circuit (preferably only a single driver or a single driver circuit). This driver is connected via connections to the control connections of the second transistors of the individual circuit modules.
  • the semiconductor switch is designed to interrupt the connection between the control terminal of the second transistor of the malfunctioning circuit module and the driver or to switch itself off autonomously if one of the circuit modules fails.
  • "or” is not to be understood as an exclusive “or” unless this is explicitly stated. In concrete terms, this means that in one embodiment it would be possible for the semiconductor switch to both interrupt the connection between the control terminal of the second transistor of the malfunctioning circuit module and the driver and to ensure an increased level of security .
  • the semiconductor is either high-resistance and can no longer be controlled, or - and this is the most common case - it is low-resistance and can no longer be controlled: the switch has broken down.
  • the switch has broken down.
  • the second case there is usually a short circuit between all three connections of the semiconductor or transistor, i.e. the gate has a low-resistance connection to drain and source (in the case of FET) or collector and emitter (in the case of IGBT).
  • the entire parallel circuit is short-circuited and the semiconductor switch can no longer be controlled in the on state (low-resistance between drain and source).
  • the semiconductor switch comprises a number n of circuit modules connected in series and is designed by the design of the individual circuit modules for a maximum permissible value of a load current to be conducted through the semiconductor switch in such a way that the cumulative blocking voltage of the transistors of each subset of n-1 circuit modules of the n circuit modules of the semiconductor switch, via which the load current is conducted, is greater than or equal to the maximum possible value of the load voltage (i.e. the peak voltage occurring for this maximum permissible load current). That is, the half- The ladder switch is dimensioned in such a way that the malfunction of a circuit module can be intercepted and the blocking voltage is still sufficient.
  • this is also the case in the case of a malfunction of a plurality m > 1 (where m is a natural number) of circuit modules, e.g. in the case of a malfunction of two circuit modules.
  • each subset of nm circuit modules still has a sufficient blocking voltage.
  • circuit modules are formed with a fuse which is arranged in the connection between the control connection of the second transistor of the circuit module and the driver.
  • the semiconductor switch is then designed with a fuse for interrupting the connection between the control connection of the second transistor of this circuit module and the driver by means of the fuse arranged there. If the semiconductor switch is suitably over-dimensioned for proper operation with fewer than the total number of circuit modules, it can then continue to operate. However, it is then sensible to send a fault report so that the operator is informed of the damage to the semiconductor switch and can plan for a replacement.
  • the interruption of the connection to a malfunctioning circuit module can be achieved, for example, by designing the semiconductor switch in such a way that when a current threshold value is exceeded on the connection between the control connection of the second transistor of the circuit module and the driver, caused by a malfunction of a circuit module, the fuse arranged there is triggered.
  • the term "current threshold value” should also include the checking of a value derived from the current for the exceedance of a threshold, e.g. the voltage drop across a known resistor (e.g. shunt resistor).
  • the fuse can be designed or dimensioned to trigger when the current threshold value is exceeded. For example, it can be a fuse or a PTC resistor (ie a thermistor with positive temperature coefficient).
  • an electronic fuse is preferred, which is formed e.g. with a switching transistor such as a MOSFET.
  • the corresponding connection between the control terminal of the second transistor (of the failed circuit module) to the driver is formed with a circuit for detecting when a current threshold value is exceeded.
  • the semiconductor switch can then comprise a control unit (e.g. MCU), and the circuit for detecting when a current threshold value is exceeded is then designed to output a signal (e.g. via an optocoupler) to the control unit, which signals that the current threshold value has been exceeded.
  • This signal can be used both to notify the user of the malfunction (whereby identification information about the malfunctioning circuit module can also be output) and to cause the control unit to generate and transmit a control signal for the (electronic) fuse to trigger it when the current threshold is exceeded (e.g. via an optocoupler).
  • the circuit for detecting the exceeding of a current threshold is itself designed to generate and transmit a control signal for the fuse to trigger it when the current threshold is exceeded, i.e. the triggering does not occur via a control unit (with a view to a possibly even more reliable triggering or when dispensing with a dedicated control unit for the semiconductor switch).
  • circuit modules it is not necessary for all circuit modules to be of the same dimensions or even to be constructed in the same way (although at least the latter is desirable for the first transistors). Any differences can be taken into account, for example, by software of a control unit of the semiconductor switch, so that the failure protection intended according to the invention is also provided in such cases.
  • the first transistor can be a unipolar transistor, e.g. a MOSFET. But it can also be implemented using a bipolar transistor, e.g. an IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) with an anti-parallel protective diode (integrated or as an external freewheeling diode).
  • IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor
  • anti-parallel protective diode integrated or as an external freewheeling diode
  • connection to the driver is formed with a conductor section into which a diode is introduced which blocks in the direction of the driver.
  • control terminal and the source terminal of the second transistor are connected to each other, and between the control terminal and A diode is arranged at the source terminal of the second transistor, which blocks in the direction of the control terminal.
  • control terminal and the drain terminal of the second transistor are connected to one another, and a resistor (preferably an ohmic resistor) is arranged between the control terminal and the drain terminal of the second transistor.
  • a resistor preferably an ohmic resistor
  • a voltage limiter is provided in parallel with the first transistor.
  • a capacitive resistor can also be provided in parallel with the first transistor.
  • the control terminal and the source terminal of the first transistor are connected to one another, and a diode is arranged between the control terminal and the source terminal of the first transistor, which blocks in the direction of the control terminal.
  • This diode is an optional feature, implemented e.g. by a Zener diode, which limits the maximum gate voltage or control terminal voltage.
  • protective diodes and voltage limits can also be provided selectively only for the circuit modules where the specific design of the semiconductor switch requires it.
  • the circuit module with the smallest distance to the driver or, for a symmetrically constructed semiconductor switch, the two circuit modules with the smallest distance to the driver can be formed without a second transistor.
  • the circuit module is formed with a third transistor, wherein the third transistor is of the same type as the first transistor and the first and the third transistor are each directly connected to the source terminal (i.e. are arranged practically in opposite directions).
  • the source terminal of the second transistor is connected to the control terminals of the first and third transistors and the drain terminal of the second transistor is connected to the junction of the source terminals of the first and third transistors.
  • Fig. 1a and 1b a circuit module for forming a semiconductor switch according to the invention
  • Fig. 2 the structure of a semiconductor switch according to the invention with fuses for the circuit modules
  • Fig. 3 a section of the semiconductor switch according to the invention from Fig. 2 with implementation details of the fuse, here as an electronic fuse and a threshold value adjustable via a reference,
  • Fig. 4 a section of the semiconductor switch according to the invention from Fig. 2 with implementation details of the fuse and a higher-level control which is notified in the event of a malfunction and
  • Fig. 5 a section of the semiconductor switch according to the invention from Fig. 2 with implementation details of the fuse and a higher-level control which is notified in the event of a malfunction and triggers the fuse.
  • the invention is based on a semiconductor switch which is formed with circuit modules connected in series.
  • Fig. 1a and Fig. 1b show an embodiment of such a circuit module.
  • the module comprises a MOSFET M3 with a source connection source!, a gate connection Gate3 and a drain connection and a PNP bipolar transistor Q2 with an emitter connection, a base connection and a collector connection, wherein the emitter connection is connected to the gate connection Gate3 of the MOSFET M3 and the collector connection is connected to the source terminal sourceS of the MOSFET M3.
  • a diode D5 (preferably a Zener diode) is arranged, which blocks in the direction of the gate terminal Gate3.
  • the base terminal and the emitter terminal of the PNP bipolar transistor Q2 are connected to one another, and in the connection a diode D4 is arranged, which blocks in the direction of the base terminal.
  • the base terminal of the PNP bipolar transistor Q2 is also connected to its collector terminal, with a resistor R5 looped into the connection.
  • a connection is provided from the base connection of the PNP bipolar transistor Q2 to a driver V2.
  • Fig. 2 shows a semiconductor switch formed from modules connected in series with a driver V2.
  • the driver V2 is connected to the PNP bipolar transistors Ql - Q6 of six circuit modules connected in series.
  • a diode Dl, D6, D7, D12, D14 and D16 is inserted between the driver V2 and the base connections of the PNP bipolar transistors Ql - Q6, which blocks the direction of the driver V2.
  • a fuse SI - S 6 is provided between the driver V2 and the diodes Dl, D6, D7, D12, D14 and D16.
  • the semiconductor switch is formed from an even number of modules, with the first half of the circuit modules being connected in series with the same conduction direction and the second half of the circuit modules being connected in series with the opposite conduction direction.
  • the semiconductor circuit module is shown twice, with the conduction direction being different.
  • the semiconductor switch in Fig. 2 is therefore made up of half modules according to Fig. 1a and half modules according to Fig. 1b.
  • the Zener diodes D5 and D18 in Fig. 1a and Fig. 1b are optional.
  • two modules with opposite conduction directions are connected in series.
  • the driver V2 is connected to the connection of the two circuit modules switched in opposite conduction directions (source) and connected to earth via this connection and the resistor Rll.
  • a resistor R2 or R6 is provided between this connection and the base connections of the PNP bipolar transistors of the two circuit modules.
  • a resistor RI is introduced between the positive pole of the driver V2 and the connections of the circuit modules of a conduction direction.
  • a capacitor Cl - C6 and a voltage limiter Ul - U6 are connected in parallel to the circuit modules. This voltage limiter is an optional component of the circuit modules.
  • a supply voltage VI and a load R3 fed from this voltage are also shown.
  • the driver-related modules can in principle be designed without the transistors Q5 or Q6 for switching on.
  • the elements D13, D14, D17 and R17 or D15, D16, D18 and RIO can then also be omitted, so that the modules then only consist of the MOSFETs Ml or M4.
  • MOSFETs Ml or M4 it is advantageous to build these two modules in the same way as the others.
  • the semiconductor switch it is designed to maintain a safe "off" state (high resistance between drain and source) even in the event of a fault.
  • the semiconductor switch can also be designed to maintain its functionality in the event of a circuit module or the MOSFET of this circuit module failing (or in the event of a specified number of circuit modules failing). In this case, the transition to the safe "switched off” state is not necessarily mandatory, but continued operation despite a failed circuit module would generally only be used to bridge the gap until the damage is repaired.
  • the simpler case is the transition to the safe "off" state.
  • the safety of this state is ensured by the number of circuit modules and the design of the MOSFETs. Both are adjusted in such a way that if a power semiconductor fails, the remaining sum of the blocking voltages of all still functional power semiconductors is greater than the peak value of the load voltage.
  • the output is kept at "low". This means that if the supply voltage of the driver cannot provide the driver power required, the driver switches off and the semiconductor switch goes into the "off" state. This error state is then locked against unauthorized restart, e.g. via a message to a higher-level controller (e.g. MCU) of the semiconductor switch, which is programmed not to allow restart if an error has occurred. For example, when the semiconductor switch is switched on again, the driver circuit is checked by the higher-level controller and if necessary (e.g. if the driver output remains at "low”) the semiconductor switch is switched off again.
  • a higher-level controller e.g. MCU
  • the path that is faulty is selectively cut out or the faulty circuit module is disconnected.
  • the semiconductor switch as shown in Fig. 2, since the potential separation to the driver is taken over by the diodes D1 and D6 when switched off.
  • a fuse S1-S6 is connected in series with the diodes D1-D6.
  • the fuse in whose path the fault current flows can be triggered, whereby the faulty part or the faulty circuit module is separated from the combination of circuit modules.
  • This fuse does not necessarily have to be a fuse; electronic solutions are also conceivable, e.g. a so-called "electronic fuse" (cf. https : // www , elektronik-kompendium. de/news/thema/elektronische-technisch/ )
  • Fig. 3 the use of an electronic fuse in the semiconductor switch is shown in Fig. 2.
  • the driver V3 is shown, on the right a circuit module formed by the MOSFET M7, the PNP bipolar transistor Q7, the Zener diode D21, the diodes D19 and D20 and the resistor R14.
  • the electronic fuse is implemented with a shunt resistor R12, with the help of which the gate current is detected and checked to see if a limit value is exceeded.
  • the operational amplifier U8 detects the voltage drop caused by the gate current across the resistor R12 and amplifies the voltage signal, which is then compared with a predetermined reference voltage by the comparator circuit formed with the operational amplifier U9 and the resistors R13 and R15. If a reference value for this voltage signal is exceeded (which corresponds to a limit value for the maximum gate voltage), a signal is output at the comparator output, which triggers the transistor U7 to switch off the gate path.
  • a capacitor C7 in parallel with the resistor R12.
  • a message is sent to a higher-level microcontroller or MCU as a warning or parameter for control measures to be carried out by the MCU.
  • a message is sent, for example, via an optocoupler U10.
  • the switching off of the gate path is triggered by a higher-level microcontroller or an MCU (Fig. 5).
  • a message is transmitted to the MCU via the optocoupler U10.
  • the MCU then sends a control signal to another optocoupler U11. formation , through which the path is separated by means of a MOSFET M8 .
  • the semiconductor switch shown in Figures 2 to 5 allows the switch to continue operating using simple means in the majority of faults due to stochastic failure mechanisms, provided the series connection contains redundant circuit modules.
  • the fit rate (failure in time) reduced by connecting a large number of power semiconductors can thus be significantly increased and it can also be ensured that the safe "switched off" state is achieved.
  • the rarely occurring state of high resistance can be detected if the voltage is measured at the input and output of the semiconductor switch.
  • a voltage difference of the order of magnitude of the maximum blocking voltage of a power semiconductor (regardless of whether it is caused by an avalanche of a power semiconductor or the response of part of the overvoltage limitation) occurs between the input and output, whereupon the switch can and must be switched off again.

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Abstract

Es wird ein Halbleiterschalter vorgeschlagen, der mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Schaltungsmodulen gebildet ist. Die Schaltungsmodule umfassen jeweils einen ersten Transistor (M3) mit einem Quellenanschluss (source3), einem Steueranschluss (Gate3) und einem Senkenanschluss und einen zweiten Transistor (Q2) mit einem Quellenanschluss, einem Steueranschluss und einem Senkenanschluss. Der Quellenanschluss des zweiten Transistors (Q2) ist dabei mit dem Steueranschluss (Gate3) des ersten Transistors (M3) verbunden und der Senkenanschluss des zweiten Transistors (Q2) mit dem Quellenanschluss (source3) des ersten Transistors (M3). Zudem ist ein Treiber (V2) vorgesehen, der über Verbindungen mit den Steueranschlüssen der zweiten Transistoren (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) der einzelnen Schaltungsmodule verbunden ist. Der Halbleiterschalter ist dafür ausgestaltet, bei einer Funktionsstörung eines der Schaltungsmodule die Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors (Q2) des funktionsstörungsbehafteten Schaltungsmoduls zu dem Treiber (V2) zu unterbrechen oder sich auszuschalten.

Description

Beschreibung
Halbleiterschalter mit Ausfallabsicherung
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter.
Die Fortschritte bei der Entwicklung von Halbleiterbauelementen haben zu neuen Schalterkonzepten geführt, die herkömmliche, typischerweise elektromechanisch aufgebaute Schalter der Niederspannungstechnik ersetzen können. Diese neuen Konzepte betreffen z.B. Schutzschalter oder Motorstarter, können aber prinzipiell auch z.B. für das Schalten von höheren Strömen, z.B. durch Leistungsschalter, verwendet werden. Von zentraler Bedeutung sind dabei die schnellen Ansprechzeiten der Halbleiterbauelemente, durch die Schäden durch Überbelastung vermieden werden. D.h., der Schalter schaltet den Strom ab, bevor die Halbleiterbauelemente zerstört werden könnten. Trotzdem kann es - auch angesichts der höheren Empfindlichkeit von Halbleiterbauelementen im Vergleich zu herkömmlichen Schalterelementen - dazu kommen, dass der auf Halbleiter basierende Schaltmechanismus Schaden nimmt und der Schalter nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Es ist wünschenswert, dass in solchen Situationen eine Absicherung besteht, die den Nutzer gegen die Konsequenzen eines solchen Schadens absichert bzw. diese in Grenzen hält.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen Halbleiterschalter mit Ausfallabsicherung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiterschalter nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Unter „Halbleiterschalter" ist dabei eine Vorrichtung zum Schalten von Strom gemeint, bei der ein Strompfad über zumindest ein Halbleiterbauelement (typischerweise Transistor) geführt ist und mittels des Halbleiterbauelements unterbrochen werden kann. Derartige Halbleiterschalter sind häufig noch mit einer galvanischen Trennung gebildet , die in der Regel durch eine Norm vorgeschrieben ist ; die Unterbrechung des Strompfades erfolgt aber immer auch durch zumindest ein Halbleiterbauelement . Ausgestaltungen für derartige Halbleiterschalter sind z . B . Schutzschalter, Leistungsschalter und Motorstarter der Niederspannungstechnik .
Der erfindungsgemäße Halbleiterschalter ist mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Schaltungsmodulen gebildet . Diese umfassen j eweils einen ersten Transistor mit einem Quellenanschluss , einem Steueranschluss und einem Senkenanschluss , wobei der Quellenanschluss ein Source-Anschluss oder ein Emitter-Anschluss , der Steueranschluss ein Gate-Anschluss oder ein Basis-Anschluss und der Senkenanschluss ein Drain- Anschluss oder ein Kollektor-Anschluss ist . Zudem sind die Schaltungsmodule gebildet mit einem zweiten Transistor, welcher über einen Quellenanschluss , einem Steueranschluss und einen Senkenanschluss verfügt , wobei der Quellenanschluss mit dem Steueranschluss des ersten Transistors und der Senkenanschluss mit dem Quellenanschluss des ersten Transistors verbunden ist . Zudem umfasst der Halbleiterschalter einen Treiber bzw . eine Treiberschaltung (vorzugsweise nur einen einzigen Treiber bzw . eine einzige Treiberschaltung) . Dieser Treiber ist über Verbindungen mit den Steueranschlüssen der zweiten Transistoren der einzelnen Schaltungsmodule verbunden .
Der Halbleiterschalter ist dafür ausgestaltet , bei Aus fall eines der Schaltungsmodule die Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors des funktionsstörungsbehafteten Schaltungsmoduls zu dem Treiber zu unterbrechen oder sich autonom aus zuschalten . Hierbei und im Folgenden ist „oder" nicht als ein exklusives „oder" zu verstehen, außer wenn dies expli zit angegeben ist . Konkret heißt dies , dass in einer Ausgestaltung es möglich wäre , dass der Halbleiterschalter sowohl die Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors des funktionsstörungsbehafteten Schaltungsmoduls zu dem Treiber unterbricht als auch sich ausschaltet , um ein erhöhtes Maß an Sicherheit zu garantieren .
Es kann bei einer Funktionsstörung eines leistungselektronischen Halbleiters typischerweise von zwei Fehlerzuständen ausgegangen werden . Der Halbleiter ist entweder hochohmig und nicht mehr steuerbar, oder - und das ist der überwiegende Fall - er ist niederohmig und nicht mehr steuerbar : der Schalter ist durchlegiert . Im zweiten Fall liegt meistens ein Kurzschluss zwischen allen drei Anschlüssen des Halbleiters bzw . Transistors vor, d . h . das Gate hat eine niederohmige Verbindung zu Drain und Source (bei FET ) bzw . Kollektor und Emitter (bei IGBT ) . In diesem Fall ist nun die gesamte Parallelschaltung kurzgeschlossen und der Halbleiterschalter ist nicht mehr steuerbar im Zustand eingeschaltet (niederohmig zwischen Drain und Source ) . Dieser Zustand ist ein ernst zu nehmender Fehler, gerade wenn der Halbleiterschalter als Schutzelement verwendet werden soll . Der Begri f f „Funktionsstörung" bezieht sich im engeren Sinn auf diesen Zustand . Der Halbleiterschalter kann auch dafür weiterentwickelt werden, auf andere Funktionsstörungen zu reagieren, z . B . auf den Zustand der Hochohmigkeit . Dies ist zwar ein selten auf tretender Fall , stellt aber ebenfalls ein nur mit Aufwand zu detek- tierendes Problem der Parallelschaltung dar . Der Gesamtwiderstand - bezeichnet als RDSon - nimmt dann zu, was zu einer thermischen Überlastung des Halbleiteraschalters führen kann .
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters umfasst dieser eine Anzahl n von in Reihe geschalteten Schaltungsmodulen und ist durch die Auslegung der einzelnen Schaltungsmodule für einen maximal zulässigen Wert eines durch den Halbleiterschalter zu führenden Laststrom derart ausgebildet , dass die kumulierte Sperrspannung der Transistoren j eder Untermenge von n- 1 Schaltungsmodulen der n Schaltungsmodule des Halbleiterschalters , über die der Laststrom geführt wird, größer oder gleich dem maximal möglichen Wert der Lastspannung ( d . h . der für diesen maximal zulässigen Laststrom auftretenden Spitzenspannung) ist . D . h . , der Halb- leiterschalter ist so dimensioniert , dass die Funktionsstörung eines Schaltungsmoduls abgefangen werden kann bzw . die Sperrspannung dann noch ausreichend ist . Gemäß einer Weiterbildung ist dies auch bei der Funktionsstörung einer Mehrzahl m > 1 (wobei m eine natürliche Zahl ist ) von Schaltungsmodulen erfüllt , z . B . bei Funktionsstörung von zwei Schaltungsmodulen . In dem Fall verfügt dann z . B . j ede Untermenge von n-m Schaltungsmodulen noch über eine ausreichende Sperrspannung .
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters sind (vorzugsweise alle ) Schaltungsmodule mit einer Sicherung gebildet , die in der Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors des Schaltungsmoduls zu dem Treiber angeordnet ist . Der Halbleiterschalter ist dann bei Funktionsstörung eines Schaltungsmoduls mit Sicherung für die Unterbrechung der Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors dieses Schaltungsmoduls zu dem Treiber mittels der dort angeordneten Sicherung ausgestaltet . Bei geeigneter Überdimensionierung des Halbleiterschalters für einen ordnungsgemäßen Betrieb mit weniger als der Gesamtzahl der Schaltungsmodule kann dieser dann weiterbetrieben werden . Es ist dann aber sinnvoll , eine Störungsmeldung abzusetzen, damit der Betreiber über die Schädigung des Halbleiterschalters informiert wird und für einen Ersatz planen kann .
Die Unterbrechung der Verbindung zu einem funktionsgestörten Schaltungsmoduls kann z . B . dadurch realisiert werden, den Halbleiterschalter dafür aus zugestalten, dass bei durch Funktionsstörung eines Schaltungsmoduls hervorgerufenen Überschreiten eines Stromschwellenwertes auf der Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors des Schaltungsmoduls zu dem Treiber die dort angeordnete Sicherung auslöst . Der Begri f f „Stromschwellenwert" soll dabei auch die Überprüfung eines aus dem Strom abgeleiteten Wertes auf das Überschreiten einer Schwelle beinhalten, z . B . den Spannungsabfall über einen bekannten Widerstand ( z . B . Shunt- Widerstand) . Die Sicherung kann dabei für ein Auslösen bei Überschreiten des Stromschwellenwertes ausgelegt bzw . dimen- sioniert sein. Z.B. kann es sich um eine Schmelzsicherung oder auch einen PTC-Widerstand (d.h. einen Thermistor mit positiven Temperaturkoeffizienten) handeln. Bevorzugt ist aber eine elektronische Sicherung, die z.B. mit einem Schalttransistor wie einem MOSFET gebildet ist. Im Falle einer elektronischen Sicherung ist die entsprechende Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors (des ausgefallenen Schaltungsmoduls) zu dem Treiber mit einer Schaltung zur Detektion des Überschreitens eines Stromschwellenwerts gebildet. Der Halbleiterschalter kann dann eine Steuereinheit (z.B. MCU) umfassen, und die Schaltung zur Detektion des Überschreitens eines Stromschwellenwerts ist dann für die Ausgabe eines Signals (z.B. über einen Optokoppler) an die Steuereinheit ausgestaltet, welches das Überschreiten des Stromschwellenwertes signalisiert. Dieses Signal kann sowohl für eine Benachrichtigung des Nutzers bzgl. der Funktionsstörung verwendet werden (wobei auch eine Identifikationsinformation zum funktionsgestörten Schaltungsmodul ausgegeben werden kann) , als auch die Steuereinheit zur Erzeugung und Übertragung eines Ansteuersignals für die (elektronische) Sicherung zu deren Auslösung bei Überschreiten des Stromschwellenwertes veranlassen (z.B. über einen Optokoppler) . Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Schaltung zur Detektion des Überschreitens eines Stromschwellenwerts selbst für die Erzeugung und Übertragung eines Ansteuersignals für die Sicherung zu deren Auslösung bei Überschreiten des Stromschwellenwertes ausgebildet ist, d.h. die Auslösung nicht über eine Steuereinheit erfolgt (im Hinblick auf eine evtl, noch zuverlässigere Auslösung oder bei Verzicht auf eine dezidierte Steuereinheit für den Halbleiterschalter) .
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters ist dieser mit einer Auswerteschaltung (z.B. Teil einer Steuereinheit bzw. MCU des Schalters) versehen, welche für einen Vergleich einer Spannungsdifferenz mit einem Schwellenwert ausgestaltet ist, wobei der Schwellenwert nach Maßgabe der Blockierspannung eines ersten Transistors eines Schaltungsmoduls festgelegt ist, und es sind Spannungsmess- Schaltungen am Eingang und Ausgang des Halbleiterschalters angeordnet , welche für die Übertragung gemessener Spannungswerte an die Auswerteschaltung ausgestaltet sind . Zudem ist dann eine Schaltung zum Ausschalten des Halbleiterschalters , wenn der Schwellenwert überschritten ist , vorgesehen . Diese schaltet dann z . B . die Treiberspannung aus . Durch diese Weiterbildung können auch Fehler bzw . Funktionsstörungen erkannt bzw . abgefangen werden, bei denen sich ein Schaltungsmodul nicht mehr durchschalten lässt ; der Durchlasswiderstand bei Einschalten des Halbleiterschalters ist dann immer größer als die Blockierspannung des Schaltungsmoduls .
Bei den Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters ist es nicht erforderlich, dass alle Schaltungsmodule gleich dimensioniert oder sogar gleich aufgebaut sind ( auch wenn zumindest letzteres für die ersten Transistoren wünschenswert ist ) . Etwaige Unterschiede können z . B . durch Software einer Steuereinheit des Halbleiterschalters berücksichtigt werden, so dass die erfindungsgemäß beabsichtigte Aus fallabsicherung auch in solchen Fällen gegeben ist .
Für die Schaltungsmodule gibt es verschiedenste Ausgestaltungsvarianten . Z . B . kann es sich bei dem ersten Transistor um einen unipolaren Transistor, z . B . einen MOSFET , handeln . Aber auch eine Realisierung mittels eines bipolaren Transistors , z . B . einem IGBT ( Insulated-Gate Bipolar Transistor ) mit antiparalleler Schutzdiode ( integriert oder als externe Freilaufdiode ) ist möglich .
Gemäß einer Ausgestaltung des Schaltungsmoduls ist die Verbindung zu dem Treiber mit einem Leiterabschnitt gebildet , in die eine Diode eingebracht ist , welche in Richtung des Treibers sperrt .
Gemäß einer Ausgestaltung des Schaltungsmoduls sind der Steueranschluss und der Quellenanschluss des zweiten Transistors miteinander verbunden, und zwischen dem Steueranschluss und dem Quellenanschluss des zweiten Transistors ist eine Diode angeordnet , welche in Richtung des Steueranschlusses sperrt .
Gemäß einer Ausgestaltung des Schaltungsmoduls sind der Steueranschluss und der Senkenanschluss des zweiten Transistors miteinander verbunden, und zwischen dem Steueranschluss und dem Senkenanschluss des zweiten Transistors ist ein Widerstand (vorzugsweise ein ohmscher Widerstand) angeordnet .
Gemäß einer Ausgestaltung des Schaltungsmoduls ist parallel zu dem ersten Transistor eine Spannungsbegrenzung vorgesehen . Auch kann parallel zu dem ersten Transistor ein kapazitiver Widerstand vorgesehen sein .
Gemäß einer ersten Ausgestaltungsalternative des Schaltungsmoduls sind der Steueranschluss und der Quellenanschluss des ersten Transistors miteinander verbunden, und zwischen dem Steueranschluss und dem Quellenanschluss des ersten Transistors ist eine Diode angeordnet , welche in Richtung des Steueranschlusses sperrt . Diese Diode ist ein optionales Feature , realisiert z . B . durch eine Zenerdiode , welche die maximale Gatespannung bzw . Steueranschlussspannung begrenzt .
Es können auch z . B . Schutzdioden und Spannungsbegrenzungen selektiv nur für die Schaltungsmodule vorgesehen sein, wo es die konkrete Ausgestaltung des Halbleiterschalters erfordert . Auch kann z . B . das Schaltungsmodul mit dem geringsten Abstand zum Treiber bzw . für einen symmetrisch aufgebauten Halbleiterschalter die beiden Schaltungsmodule mit dem geringsten Abstand zu dem Treiber ohne zweiten Transistor gebildet sein .
Gemäß einer zweiten Ausgestaltungsalternative des Schaltungsmoduls ist das Schaltungsmodul mit einem dritten Transistor gebildet , wobei der dritte Transistor vom selben Typ wie der erste Transistor ist und der erste und der dritte Transistor j eweils direkt mit dem Quellenanschluss miteinander verbunden sind ( d . h . praktisch in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind) . In dieser Ausgestaltung ist der Quellenanschluss des zweiten Transistors mit den Steueranschlüssen des ersten und dritten Transistors und der Senkenanschluss des zweiten Transistors mit der Verbindung der Quellenanschlüsse vom ersten und dritten Transistor verbunden .
Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Aus führungsbeispiels anhand von Figuren näher beschrieben . Es zeigen
Fig . la und 1b : ein Schaltungsmodul für die Bildung eines erfindungsgemäßen Haiblei ter schalt er s ,
Fig . 2 : den Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterschalters mit Sicherungen für die Schaltungsmodule ,
Fig . 3 : einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters von Fig . 2 mit Realisierungsdetails der Sicherung, hier als elektronische Sicherung und einen über eine Referenz einstellbaren Schwellwert ,
Fig . 4 : einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters von Fig . 2 mit Realisierungsdetails der Sicherung und einer übergeordneten Steuerung, die bei Funktionsstörung benachrichtigt wird und
Fig . 5 : einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters von Fig . 2 mit Realisierungsdetails der Sicherung und einer übergeordneten Steuerung, die bei Funktionsstörung benachrichtigt wird und die Sicherung auslöst .
Die Erfindung geht von einem Halbleiterschalter aus , der mit in Reihe geschalteten Schaltungsmodulen gebildet ist . Fig . la und Fig . 1b zeigen eine Aus führung eines derartigen Schaltungsmoduls . Das Modul umfasst einen MOSFET M3 mit einem Source-Anschluss source! , einem Gate-Anschluss Gate3 und einem Drain-Anschluss und einen PNP Bipolartransistor Q2 mit einem Emitter-Anschluss , einem Basis-Anschluss und einem Kollektor-Anschluss , wobei der Emitter-Anschluss mit dem Gate- Anschluss Gate3 des MOSFETs M3 und der Kollektor-Anschluss mit dem Source-Anschluss sourceS des MOSFETs M3 verbunden ist . Der Gate-Anschluss Gate3 und der Source-Anschluss source! des MOSFETs M3 sind miteinander verbunden, und zwischen diesen Anschlüssen ist eine Diode D5 (vorzugsweise eine Zenerdiode ) angeordnet , welche in Richtung des Gate- Anschlusses Gate3 sperrt . Der Basis-Anschluss und der Emitter-Anschluss des PNP Bipolar-transistors Q2 sind miteinander verbunden, und in der Verbindung ist eine Diode D4 angeordnet , welche in Richtung des Basis-Anschlusses sperrt . Der Basis-Anschluss des PNP Bipolartransistors Q2 ist auch mit dessen Kollektor-Anschluss verbunden, wobei in der Verbindung ein Widerstand R5 eingeschlei ft ist .
Zudem ist eine Verbindung von dem Basis-Anschluss des PNP Bipolartransistors Q2 zu einem Treiber V2 vorgesehen . Dies ist aus Fig . 2 zu entnehmen, in welcher ein aus in Reihe geschalteten Modulen gebildeter Halbleiterschalter mit einem Treiber V2 gezeigt ist . Der Treiber V2 ist mit den PNP Bipolartransistoren Ql - Q6 von sechs in Reihe geschalteten Schaltungsmodulen verbunden . Dabei ist zwischen dem Treiber V2 und den Basis-Anschlüssen der PNP Bipolartransistoren Ql - Q6 j eweils noch eine Diode Dl , D6 , D7 , D12 , D14 und D16 eingebracht , die in Richtung des Treibers V2 sperrt . Zwischen dem Treiber V2 und den Dioden Dl , D6 , D7 , D12 , D14 und D16 ist j eweils noch eine Sicherung S I - S 6 vorgesehen . In dieser Schaltergeometrie ist der Halbleiterschalter aus einer geraden Anzahl von Modulen gebildet , wobei die erste Häl fte der Schaltungsmodule mit derselben Durchschaltrichtung in Reihe geschaltet sind und die zweite Häl fte der Schaltungsmodule mit der entgegengesetzten Durchschaltrichtung in Reihe geschaltet sind . In Fig . la und Fig . 1b ist das Halbleiterschaltungsmodul zweimal dargestellt , wobei die Durchlassrichtung unterschiedlich ist . Der Halbleiterschalter gern . Fig . 2 setzt sich also zur Häl fte aus Modulen entsprechend Fig . la und zur Häl fte aus Modulen entsprechend Fig . 1b zusammen . Die Zenerdioden D5 und D18 in Fig . la und Fig . 1b sind dabei optional . In der Mitte der Schaltung von Fig . 2 sind zwei Module mit entgegengesetzter Durchlassrichtung in Reihe geschaltet . Der Treiber V2 ist mit der Verbindung der zwei in gegensätzlicher Durchschaltrichtung geschalteten Schaltungsmodule verbunden (Source) und über diese Verbindung und den Widerstand Rll mit Erde verbunden. Zwischen dieser Verbindung und den Basis-Anschlüssen der PNP Bipolartransistoren der beiden Schaltungsmodulen ist jeweils ein Widerstand R2 bzw. R6 vorgesehen. Zudem ist ein Widerstand RI zwischen dem Pluspol des Treibers V2 und den Verbindungen der Schaltungsmodule einer Durchlassrichtung eingebracht. Den Schaltungsmodulen ist zudem jeweils eine Kapazität Cl - C6 und eine Spannungsbegrenzung Ul - U6 (z.B. in Form einer Suppressordiode oder eines Varistors) parallelgeschaltet. Diese Spannungsbegrenzung ist ein optionaler Bestandteil der Schaltungsmodule. Es sind zudem eine Versorgungsspannung VI und eine aus dieser Spannung gespeiste Last R3 gezeigt.
Zum Halbleiterschalteraufbau gern. Fig. 2 sind noch folgende zwei Punkte relevant:
Zum einen handelt es sich um eine Schaltung für einen alternierenden Stromfluss (AC oder DC mit beiden Stromflussrichtungen) . Für unipolaren Stromfluss würde nur eine Hälfte der dargestellten Schaltung benötigt (d.h. nur die Module mit Transistoren einer Durchlassrichtung) .
Zum anderen können die treibernahen Module prinzipiell ohne die Transistoren Q5 bzw. Q6 zum Einschalten ausgeführt sein. Auch die Elemente D13, D14, D17 und R17 bzw. D15, D16, D18 und RIO können dann entfallen, so dass die Module dann nur aus den MOSFETs Ml bzw. M4 bestehen. Für ein möglichst gleichzeitiges Abschalten aller in Reihe geschalteter Bauelemente bzw. um das Ausschaltverhalten zu symmetrieren ist es aber von Vorteil, diese beiden Module entsprechend der anderen aufzubauen.
Gemäß einer Ausgestaltung des Halbleiterschalters ist dieser dafür ausgestaltet, selbst in einem Fehlerfall einen sicheren Zustand „ausgeschaltet" (hochohmig zwischen Drain und Source) einzunehmen . Es kann auch der Halbleiterschalter dafür ausgelegt sein, bei Aus fall eines Schaltungsmoduls bzw . des MOS- FETs dieses Schaltungsmoduls ( oder aber bei Aus fall einer festgelegten Anzahl von Schaltungsmodulen) noch seine Funktions fähigkeit auf recht zuerhalten . In diesem Fall ist der Übergang in den sicheren Zustand „ausgeschaltet" nicht unbedingt obligatorisch, ein Weiterbetrieb trotz eines ausgefallenen Schaltungsmoduls würde aber im Regel fall nur zur Überbrückung bis zur Schadensbehebung erfolgen .
Der einfachere Fall ist die Überführung in den sicheren Zustand „ausgeschaltet" . Die Sicherheit dieses Zustands wird durch die Anzahl der Schaltungsmodule und die Auslegung der MOSFETs sichergestellt . Beides ist so angepasst , dass bei Aus fall eines Leistungshalbleiters die restlich verbliebene Summe der Blockierspannungen aller noch funktions fähigen Leistungshalbleiter größer ist als der Spitzenwert der Lastspannung .
Sobald ein MOSFET eines Schaltungsmoduls der Reihenschaltung durchlegiert , wird sein Gatesignal kurzgeschlossen, bzw . die mit einem PNP Bipolartransistor gebildete Ansteuerschaltung des MOSFETs wird überlastet und das Gatesignal ( Output Treiber ) bricht zusammen . Man kann also entweder den Strom des Treiberausganges oder aber die Gatespannung bzw . Versorgungsspannung der Treiberstufe überwachen, um eine Überlastung zu detektieren .
Bei Detektion dieser Überlastung wird mittels des Treibers das Gatesignal der MOSFETs auf OV gesetzt und somit der Stromfluss in den durchlegierten MOSFET verhindert ( keine treibende Spannung mehr vorhanden) . Dadurch wird aber auch der Ausschaltvorgang für alle anderen, noch funktionierenden MOSFETs bzw . Schaltungsmodule eingeleitet . Der Halbleiterschalter geht in den Zustand „ausgeschaltet" . Das Auftreten dieses Fehlers bzw . dieser Fehlerzustand kann nun entweder einer übergeordneten Steuerung übergeben werden, um den Halbleiterschalter gegen j edes weitere Einschalten zu blockieren, oder aber es kann bei jedem weiteren Einschalt-Vorgang dieser wieder nach Erkennung der Überlastung der Ansteuerschaltung des defekten MOSFETs abgeschaltet werden. Diese Funktionalität bringen durchaus schon aktuelle Ansteuerschaltungen mit. So hat ein UCC5390EC von TI (Gate-Treiber von Texas Instruments) ein UVLO, d.h. bei Unterspannung an der Versorgungsspannung wird der Ausgang auf „low" gehalten. D.h., wenn die Versorgungsspannung des Treibers die aufzubringende Treiberleistung nicht aufbringen kann, dann schaltet der Treiber ab, der Halbleiterschalter geht in den Zustand „ausgeschaltet" . Gegen unzulässiges Wiedereinschalten wird dieser Fehlerzustand dann verriegelt, z.B. über eine Nachricht an eine übergeordnete Steuerung (Z.B. MCU) des Halbleiterschalters, die dafür programmiert ist, bei Vorliegen eines Fehlers ein Wiedereinschalten nicht zuzulassen. Z.B. wird dann beim Wiedereinschalten des Halbleiterschalter die Treiberschaltung durch die übergeordnete Steuerung überprüft und ggf. (z.B., wenn Ausgang des Treibers auf „low" bleibt) der Halbleiterschalter wieder abgeschaltet.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird selektiv der Pfad herausgetrennt, der fehlerhaft ist, bzw. das fehlerhafte Schaltungsmodul abgetrennt. Dies ist mit dem Halbleiterschalter gern. Fig. 2 möglich, da die Potentialtrennung zum Treiber im ausgeschalteten Zustand durch die Dioden Dl und D6 übernommen wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist in Reihe zu den Dioden D1-D6 jeweils eine Sicherung S1-S6 geschaltet. Im Fehlerfall kann die Sicherung auslösen, in deren Pfad der Fehlerstrom fließt, wodurch der fehlerhafte Teil bzw. das fehlerhafte Schaltungsmodul aus dem Verbund von Schaltungsmodulen herausgelöst wird. Diese Sicherung muss nicht zwingend eine Schmelzsicherung sein, es sind auch elektronische Lösungen denkbar, z.B. eine sog. „elektronische Sicherung" (vgl. https : // www , elektronik- kompendium. de/news/ thema/elektronische-sicherung/ )
In Fig. 3 ist die Verwendung einer elektronischen Sicherung in dem Halbleiteraschalter gern. Fig. 2 gezeigt. Dabei ist der Einfachheit halber nur ein Schaltungsmodul dargestellt , das durch eine solche Sicherung abtrennbar ist . Auf der linken Seite ist der Treiber V3 gezeigt , auf der rechten ein mit dem MOSFET M7 , dem PNP Bipolartransistor Q7 , der Zener-Diode D21 , den Dioden D19 und D20 und dem Widerstand R14 gebildetes Schaltungsmodul .
Die elektronische Sicherung ist mit einem Shunt-Widerstand R12 realisiert , mit dessen Hil fe der Gatestrom erfasst und bzgl . des Überschreitens eines Grenzwerts überprüft wird . Der Operationsverstärker U8 erfasst den durch den Gatestrom hervorgerufenen Spannungsabfall über den Widerstand R12 und verstärkt das Spannungssignal , welches dann durch die mit dem Operationsverstärker U9 und dem Widerständen R13 und R15 gebildete Komparatorschaltung mit einer vorgegebenen Referenzspannung verglichen wird . Bei Überschreiten eines Referenzwertes für dieses Spannungssignal (welcher einem Grenzwert für die maximale Gatespannung entspricht ) wird am Komparatorausgang ein Signal ausgegeben, durch welches der Transistor U7 getriggert wird, den Gatepfad abzuschalten . Um den Stromimpuls beim Einschalten des MOSFET M7 bei der Strommessung heraus zufiltern, ist ggf . das Anbringen einer Kapazität C7 parallel zum Widerstand R12 empfehlenswert .
Gern , einer Weiterbildung ( siehe Fig . 4 ) ist bei Messung des Gatestromes und Erkennen der Überschreitung eines vorgegebenen Sollwertes eine Meldung an einen überlagerten Microkontroller bzw . eine MCU als Warnung bzw . Parameter für durch die MCU durchzuführende Steuermaßnahmen vorgesehen . Vorzugsweise besteht eine Potentialtrennung für die MCU . Die Meldung kann dann z . B . über einen Optokoppler U10 erfolgen .
Gemäß einer Ausgestaltung wird die Abschaltung des Gatepfades durch einen überlagerten Microkontroller bzw . eine MCU ausgelöst ( Fig . 5 ) . Wie in der Ausgestaltung von Fig . 4 wird eine Meldung an die MCU über den Optokoppler U10 übertragen . Die MCU gibt dann einen weiteren Optokoppler Ul l eine Steuerin- formation aus , durch die mittels eines MOSFETs M8 der Pfad aufgetrennt wird .
Der anhand der Figuren 2 bis 5 dargestellte Halbleiterschalter erlaubt , im überwiegenden Teil der Fehlerfälle , welche auf stochastischen Aus fallmechanismen beruhen, mit einfachen Mitteln einen Weiterbetrieb des Schalters zu realisieren, wenn die Reihenschaltung redundante Schaltungsmodule beinhaltet . Die , durch Verschaltung einer größeren Anzahl von Leistungshalbleitern, reduzierte Fitrate ( Failure in Time ) kann somit wieder deutlich erhöht werden und es kann ebenfalls sichergestellt werden, dass der sichere Zustand „ausgeschaltet" erreicht wird . Die Fitrate ist z . B . in https : / /de . wikipedia . org/wiki/ Failure In Time beschrieben und ist kurz gesagt der Wert FIT= 109h/MTBF . Bei einer MTBF (Mean Time Between Failure ) von einer Milliarde Stunden ist dann der Wert für den Parameter FIT gleich 1 .
Der selten auftretende Zustand der Hochohmigkeit kann detek- tiert werden, wenn am Eingang und am Ausgang des Halbleiterschalters die Spannung gemessen wird . Im eingeschalteten Zustand der Reihenschaltung tritt in diesem Fehlerfall eine Spannungsdi f ferenz in der Größenordnung der max . Blockierspannung eines Leistungshalbleiters ( egal ob nun hervor gerufen durch Avalanche eines Leistungshalbleiters oder Ansprechen eines Teils der Überspannungsbegrenzung) zwischen Ein- und Ausgang auf , worauf der Schalter wieder abgeschaltet werden kann und muss .

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterschalter mit
- einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Schaltungsmodulen, welche jeweils gebildet sind mit
- einem ersten Transistor (M3) mit einem Quellenanschluss (source3) , einem Steueranschluss (Gate3) und einem Senkenanschluss, wobei
- der Quellenanschluss (source!) ein Source-Anschluss oder ein Emitter-Anschluss, der Steueranschluss (Gate!) ein Gate- Anschluss oder ein Basis-Anschluss und der Senkenanschluss ein Drain-Anschluss oder ein Kollektor-Anschluss ist, und
- einem zweiten Transistor (Q2) mit einem Quellenanschluss, einem Steueranschluss und einem Senkenanschluss, wobei
- der Quellenanschluss mit dem Steueranschluss (Gate!) des ersten Transistors (M3) verbunden ist,
- der Senkenanschluss mit dem Quellenanschluss (source!) des ersten Transistors (M3) verbunden ist, und
- mit einem Treiber (V2) , der über Verbindungen mit den Steueranschlüssen der zweiten Transistoren (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) der einzelnen Schaltungsmodule verbunden ist, wobei
- der Halbleiterschalter dafür ausgestaltet ist, bei einer Funktionsstörung eines der Schaltungsmodule die Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors (Q2) des funktionsstörungsbehafteten Schaltungsmoduls zu dem Treiber (V2) zu unterbrechen oder sich auszuschalten.
2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter durch die Anzahl n der in Reihe geschalteten Schaltungsmodule und die Auslegung der einzelnen Schaltungsmodule für einen maximal zulässigen Wert eines durch den Halbleiterschalter zu führenden Laststrom derart ausgebildet ist, dass die kumulierte Sperrspannung jeder Untermenge von n-1 Schaltungsmodulen der n Schaltungsmodule des Halbleiterschalters, größer oder gleich dem maximalen Wert der Lastspannung ist.
3 . Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass
- Schaltungsmodule des Halbleiterschalters mit einer Sicherung gebildet sind, die in der Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors ( Q2 ) des Schaltungsmoduls zu dem Treiber (V2 ) angeordnet ist , und
- der Halbleiterschalter bei Funktionsstörung eines Schaltungsmoduls mit Sicherung für die Unterbrechung der Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors (Q2 ) dieses Schaltungsmoduls zu dem Treiber (V2 ) mittels der dort angeordneten Sicherung ausgestaltet ist .
4 . Halbleiterschalter nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass der Halbleiterschalter dafür ausgestaltet ist , dass bei durch Funktionsstörung eines Schaltungsmoduls hervorgerufenen Überschreiten eines Stromschwellenwertes auf der Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors ( Q2 ) des Schaltungsmoduls zu dem Treiber (V2 ) die dort angeordnete Sicherung auslöst .
5. Halbleiterschalter nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass die Sicherung für ein Auslösen bei Überschreiten des Stromschwellenwertes ausgelegt ist .
6. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass
- es sich um eine elektronische Sicherung handelt , und
- die Verbindung zwischen dem Steueranschluss des zweiten Transistors ( Q2 ) zu dem Treiber (V2 ) mit einer Schaltung zur Detektion des Überschreitens eines Stromschwellenwerts gebildet ist .
7 . Halbleiterschalter nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass
- der Halbleiterschalter eine Steuereinheit umfasst , und - die Schaltung zur Detektion des Überschreitens eines Stromschwellenwerts für die Ausgabe eines Signals an die Steuereinheit ausgestaltet ist , welches das Überschreiten des Stromschwellenwertes signalisiert .
8 . Halbleiterschalter nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass die Steuereinheit für die Erzeugung und Übertragung eines Ansteuersignals für die Sicherung zu deren Auslösung bei Überschreiten des Stromschwellenwertes ausgebildet ist .
9. Halbleiterschalter nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet , dass die Schaltung zur Detektion des Überschreitens eines Stromschwellenwerts für die Erzeugung und Übertragung eines Ansteuersignals für die Sicherung zu deren Auslösung bei Überschreiten des Stromschwellenwertes ausgebildet ist .
10 . Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche , gekennzeichnet durch
- eine Auswerteschaltung, welche für einen Vergleich einer Spannungsdi f ferenz mit einem Schwellenwert ausgestaltet ist , wobei der Schwellenwert nach Maßgabe der Blockierspannung eines ersten Transistors (M3 ) eines Schaltungsmoduls festgelegt ist ,
- Spannungsmessschaltungen am Eingang und Ausgang des Halbleiterschalters , welche für die Übertragung gemessener Spannungswerte an die Auswerteschaltung ausgestaltet sind, und
- eine Schaltung zum Ausschalten des Halbleiterschalters , wenn der Schwellenwert überschritten ist .
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