WO2016142484A2 - Vorrichtung zum bestimmen eines schalterzustands, schaltervorrichtung, verfahren zum bestimmen eines schalterzustands und computerprogramm - Google Patents

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semiconductor
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Holger Kapels
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    • G01R31/2607—Circuits therefor
    • G01R31/2621—Circuits therefor for testing field effect transistors, i.e. FET's

Definitions

  • Apparatus for determining a switch state switch device, method for determining a switch state and computer program
  • the present invention relates to a device for determining a state of a semiconductor-based switch, to a switching device, to a method for determining a state of a semiconductor-based switch, and to a computer program.
  • the present invention further relates to a method for determining in situ the degree of aging of a power device or a power module and extrapolating to the time of failure of the assembly.
  • a method described in DE 10 2007 024 175 A1 relates only to the detection of damage to a gate oxide.
  • the object of the present invention is to provide a concept which enables a reliable determination of a state of a switch arrangement. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
  • the gist of the present invention is to have recognized that with increasing damage to the switch assembly, a voltage waveform between a control terminal and a power terminal of a semiconductor-based switch increasingly changes during a switching operation and that a measure of the deviation between a detected voltage waveform and a reference signal as a measure of damage to the switch assembly is interpretable.
  • an apparatus includes a voltmeter configured to measure a voltage between a control terminal and a power terminal of a semiconductor-based switch and to obtain a voltage signal.
  • the apparatus further comprises processing means configured to compare the measurement signal with a reference signal, and to determine based on the comparison a state of a switch arrangement comprising the semiconductor-based switch.
  • the reference signal indicates information regarding the voltage between the control terminal and the power terminal of the semiconductor-based switch when the switch arrangement has an undamaged or a tolerance-degraded state. The advantage of this is that a measure of a deviation of the measurement signal and the reference signal can be converted to an extent in which the switch arrangement has a damaged state or is damaged beyond the tolerance range.
  • the processing device is designed to compare information relating to a Miller plateau of the measurement signal with information of a Miller plateau of the reference signal.
  • the Miller plateau represents a characteristic signal portion of a gate-emitter voltage of a semiconductor-based switch during its turn-on and that the Miller plateau can be compared with respect to its amplitude height and / or time duration with corresponding signal portions of the reference signal. This enables a reliable determination of the state of the switch arrangement.
  • the processing device is designed to transform the measurement signal at least partially into a frequency range in order to obtain a transformed measurement signal, the reference signal having frequency information, and wherein the processing device is designed to compare the transformed measurement signal with the frequency information ,
  • parameters such as a switching speed (for example, from conducting to non-conducting or vice versa) can be evaluated based on frequency information and that an evaluation of the state of the switch arrangement is made possible based on these parameters.
  • the processing device is designed to store a first measurement signal, which is detected with respect to a first time interval and with respect to the semiconductor-based switch, in a reference signal memory and the first measurement signal with a second measurement signal, which relates to a second time interval the first time interval follows, to compare.
  • the processing device is designed to use the first measurement signal with respect to the second measurement signal as the reference signal.
  • a switch device comprises a switch arrangement with a semiconductor-based switch and a device for determining the state of the switch arrangement.
  • the processing device is designed to obtain a comparison result based on the comparison in order to compare the comparison result with a threshold value and to generate an output signal that has information regarding a remaining operational readiness of the switch arrangement if the comparison result relates to the predefined threshold value Deviation has.
  • the apparatus is configured to control the semiconductor-based switch and to terminate operation of the semiconductor-based switch based on the output signal or to send the output signal to another device configured to control the semiconductor-based switch.
  • future operation may be interrupted or terminated in time for failure to perform a repair before failure of the semiconductor-based switch or switch assembly occurs.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a device comprising a voltmeter and a processing device according to an embodiment
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of an apparatus configured to determine the state of a switch assembly according to one embodiment
  • FIG. 3 is a schematic block diagram of a switch device comprising the switch assembly and apparatus of FIG. 1 according to one embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic comparison of voltage profiles during a switch-on behavior of a semiconductor-based switch according to an exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic diagram in which a time axis is denoted on the abscissa and an ordinarily standardized parameter value is designated on the ordinate according to an exemplary embodiment
  • FIG. 6 a shows by way of example a two-dimensional matrix in which a respective parameter value is arranged in the rows according to an exemplary embodiment
  • 6b is a schematic two-dimensional diagram in which a time axis is plotted on the abscissa with times discretely applied thereto, to which the respective parameter is measured and / or compared, according to an exemplary embodiment
  • FIG. 7a is a schematic diagram of voltage traces of a gate-emitter voltage and a collector-emitter voltage according to an embodiment
  • 7b is a schematic diagram of the same voltages in which contact resistances of FIG. 7a are increased to a higher value, according to an embodiment
  • Fig. 8 is a schematic diagram of a so-called stress test according to the prior art.
  • semiconductor-based switches which, for example, may comprise base materials comprising silicon, silicon carbide (SiC) and / or gallium nitride (GaN).
  • Semiconductor-based switches can be embodied, for example, as metal-oxide semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) or as bipolar transistors.
  • MOSFETs metal-oxide semiconductor field-effect transistors
  • Semiconductor-based switches may have a normally-conductive or normally-off configuration.
  • semiconductor-based switches may include an insulated gate electrode, such as an insulated gate MOSFET or an insulated gate bipolar transistor (IGBT). Further, semiconductor-based switches may be of an n-channel or p-channel type. Based on a concentration of carriers stored on a control capacitance (gate capacitance), a switch state, for example, conducting or blocking, can be changed, that is, the semiconductor-based switch is switched.
  • a control capacitance gate capacitance
  • semiconductor based switches will be described below as having a blocking state (ie, non-conductive or low conductive) when a concentration of carriers in the control capacitance is so low that a control potential or voltage is applied across the control capacitor Control connection is below a threshold threshold. If the concentration of charge carriers has a higher value such that the control voltage is above the threshold value, the semiconductor-based switch has a conductive state. It goes without saying that these states are mutually interchangeable based on the configuration of the semiconductor-based switch, for example normally conducting / normally blocking.
  • a non-conductive state may also be brought about or another form of semiconductor-based switch may be arranged. Subsequent labels of the semiconductor-based switch terminals, such as gate, emitter, and collector, may be interchanged based on other types of switches, such as gate, drain, and source.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a device 10 comprising a voltmeter 12 and a processing device 14.
  • the voltmeter is configured to measure a voltage U G E between a control terminal (gate G) and a power terminal of a semiconductor-based switch 16 and to convert the measured voltage U G E into a measurement signal 18.
  • the power connection may, for example, be an emitter connection E.
  • the measurement signal 18 thus has information regarding the voltage U G E.
  • the information may be the actual voltage value, a sequence of samples or the like, or a scaling of one or more voltage values.
  • the processing device 14 is designed to compare the measurement signal 18 with a reference signal 22.
  • the reference signal may be one stored (scaled or unscaled) voltage waveform, one or more (scaled or unscaled) samples.
  • the reference signal 22 may also have further information, such as a trigger voltage, in which the comparison is carried out when the measurement signal exceeds or falls below the trigger voltage.
  • the comparison can be made between similar or different types of signals or signal features.
  • the processing device can be configured to compare a respective time profile of the measurement signal 18 with a time profile of the reference signal 22.
  • a time profile can also be compared with one or more samples.
  • the comparison can be done in real time.
  • the comparison can also be carried out after a successful switching operation of the semiconductor-based switch 16.
  • the comparison can be performed at or after each switching operation.
  • the comparison can also be carried out with regard to a part of the switching operations, for example relating to leases every second, third, fifth or tenth switching operation or another value.
  • the processing device 14 is designed to determine, based on the comparison of the measurement signal 18 with the reference signal 22, a state of a switch arrangement 24 comprising the semiconductor-based switch 16.
  • the switch assembly 24 includes the semiconductor-based switch 16 and may optionally include other components, such as a board on which the semiconductor-based switch 16 is located, power terminals for contacting the semiconductor-based switch 16 with other components of a circuit or assembly, or interconnections between the semiconductor-based Include switches and other components.
  • Such a connection may be embodied as a bonding wire connection with which the semiconductor-based switch 16 is connected to the circuit board.
  • the state may also include a connection (electrical connection) of an electrical load 26, which is connected to the switch arrangement 24, to the switch arrangement 24.
  • the condition may relate to damage or aging of the semiconductor-based switch 16 and / or damage or aging of a compound of the semiconductor-based switch with the component.
  • the component may also be a circuit board on which the semiconductor-based switch 16 is arranged, so that the state of the mechanical connection of the semiconductor-based switch 16 with the board and / or on the electrical connection of the electrical connections of the semiconductor-based switch 16 and the board can relate.
  • the reference signal may include information regarding a voltage between the gate (control terminal) and the collector or emitter (power terminal) of the semiconductor-based switch 16 when the switch assembly 24 has an undamaged or a tolerance-degraded state.
  • the reference signal may indicate a profile of the gate-emitter voltage U G E in the undamaged state of the switch arrangement 24.
  • a measure of the deviation between the reference signal 22 and the measurement signal 18 can be interpreted as a measure of the damage to the switch arrangement 24.
  • the reference signal 22 may refer to a condition obtained after fabrication of the switch assembly 24 and detected with respect to the switch assembly 24, such as in the form of calibration.
  • the reference signal may also be one obtained externally Be information, such as in the form of a setpoint curve, which is created for a structure of the switch assembly 24. This allows a functional and / or quality control during commissioning of the switch assembly 24, since by means of the comparison also deviations with respect to the desired state can be determined.
  • the reference signal may at least partially also contain information regarding previous comparisons or detected voltage values.
  • the processing device can be designed to determine a development of the status based on an iteratively repeated comparison.
  • the processing device may be configured to use one or more (i.e., at least a second) preceding measurement signals as a reference signal.
  • the processing device can be designed to compare a further (third) measurement signal with the reference signal (s) used.
  • the processing device may further be configured to determine a deviation between the comparisons. This allows the determination of a rate of change with which the state of the switch assembly 24 changes.
  • Each measurement signal may be detected with respect to a time interval in which the semiconductor-based switch 16 performs a switching operation, the time intervals following each other in an order in which the switching operations with respect to which the respective measurement signal is detected are arranged in time.
  • the processing device 14 may be designed to compare a time profile of the measurement signal 18 with a time profile of the reference signal 22.
  • the processing device can also be designed to compare information extracted from the time profile of the measurement signal 18 and / or reference signal 22. Such information may be one or more time periods and / or amplitude values. For example, a time duration of a Miller plateau of the measurement signal 18 can be compared with a time duration provided by the reference signal 22. That is, the reference signal 22 may include or represent information regarding the corresponding time duration.
  • the processing device 14 may be designed to compare an amplitude of the Miller plateau of the measurement signal 18 with an amplitude value that is encompassed by the reference signal 22.
  • a start of the Miller plateau can be determined, for example, by the fact that, at the beginning of the same, a gate-emitter voltage and a collector-emitter voltage within a tolerance range are the same. Such information may, for example, be included as a trigger point of the reference signal to which the comparison device subsequently performs the measurement or the comparison.
  • the reference signal 22 may be an amplitude value or that the reference signal 22 comprises an amplitude value.
  • the device 10 comprises, for example, a memory 28 which is designed to store the reference signal 22 and to provide the reference signal 22 to the processing device 14.
  • the device 10 may be implemented without the memory 28 and receive the reference signal 22, for example in the form of an external signal.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a device 20 which is designed to determine the state of the switch arrangement 24 and is connected to the switch arrangement 24.
  • a processor 32 is configured to output a status signal 34 as compared to the processor 14 of FIG. 1.
  • the status signal 34 may include information as to whether the state of the switch assembly 24 is within or outside an allowable range (tolerance range).
  • the status signal 34 may indicate that the switch assembly 24 has failed, is about to fail, or is still suspending a certain number of switching cycles (operating time) that the switch assembly 24 or the semiconductor-based switch 16 may perform.
  • the device 20 or the processing device 32 may be designed to output the status signal 34 if the time duration of the Miller plateau the measuring signal 18 is greater than a corresponding information of the reference signal 22 by a time factor of greater than or equal to 1, 01, greater than or equal to 1, 2, greater than or equal to 1, 3 or greater than or equal to 1.
  • the processing device 32 can be formed be to determine from a time course of the reference signal 22, the corresponding time duration of the Miller plateau thereof and to compare with the time duration of the Miller plateau of the measurement signal 18.
  • the reference signal 22 may have the corresponding time indication as preprocessed information.
  • the device 20 or the processing device 32 may be designed to output the status signal 34 if the amplitude of the Miller plateau of the measurement signal 18 is at least an amplitude factor greater than or equal to 1, 01, greater than or equal to 1, 15 or greater than or equal to 1, 2 is greater than the amplitude of the Miller plateau of the reference signal 22.
  • the amplitude of the Miller plateau of the reference signal 22 may be present as an amplitude value or determined from a temporal course of the reference signal 22 from the processing device 32.
  • the processing device 32 or the processing device 14 may be designed to transform the measurement signal 18 at least partially into the frequency range, for example by a Fourier transformation, a fast Fourier transformation (FFT) and / or a wavelet transformation.
  • the processing device is designed to obtain a transformed measurement signal based on the transformation.
  • the reference signal 22 may have comparable (frequency) information with respect to the transformation.
  • the frequency information may include, for example, information regarding a switching speed or a slope of signal edges during the switching.
  • the processing device 32 may be configured to compare the frequency information of the measurement signal 18 with the reference signal 22 or its frequency information.
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of a switch device 30 comprising the switch arrangement 24 and the device 10.
  • the device 10 is connected at a first terminal 36a to the gate terminal of the semiconductor-based switch 16 and at a second terminal 36b to the emitter terminal of the semiconductor-based switch 16, and configured to the gate-emitter voltage U G E of the semiconductor-based switch 16 by means of the voltmeter 12 to determine.
  • the device 10 is designed to control the semiconductor-based switch 16 with a control signal 38.
  • the device 10 includes another terminal 42 connected to the gate terminal of the semiconductor-based switch 16.
  • the device 10 is designed to control the semiconductor-based switch 16 by means of the control signal 38, for example by the control signal 38 supplying or discharging charge carriers to or from the gate G.
  • the control signal 38 may be provided by a processor (not shown) of the device 10. Alternatively, the control signal 38 may also be provided by the processing device 14.
  • the device 10 is configured to enable or terminate operation of the semiconductor-based switch 16 based on the status signal 34.
  • the processing device 14 is designed to compare the comparison result with a threshold value and to generate the status signal 34 if the comparison result with respect to the threshold value has a predefined deviation (within or outside the tolerance range).
  • the status signal 34 may alternatively or additionally comprise information regarding a remaining operational readiness of the switch arrangement 24.
  • the status signal 34 may indicate that the state of the switch assembly 24 is in order or that failure of the semiconductor-based switch 16 or the switch assembly 24 is imminent.
  • the device is configured, for example, to control the semiconductor-based switch by means of the control signal 38 and to terminate the operation of the semiconductor-based switch 16 based on the status signal 34.
  • the status signal 34 contains information that the state of the semiconductor-based switch 16 or the switch arrangement 24 is in order (ie within the tolerance range) and the device 10 is configured to control the operation of the semiconductor-based switch 16 long as the status signal 34 has this information.
  • the device may be configured to send the status signal 34 to another device configured to control and / or stop operation of the semiconductor-based switch 16.
  • the switch device 30 can be designed as a device for switching the component 26.
  • the switch assembly 30 can be used as a DC / DC converter or DC / AC converter, such as For example, in the field of voltage converter, frequency converter or synchronous rectifier be executed.
  • switching devices are provided that are configured to detect a degrading or defective state of the switch assembly 24 during operation thereof.
  • the switch device may be configured to set a safe state of the entire device, or at least parts thereof, based on the degrading or defective state, before failure of the switch assembly 24 occurs (fail-safe).
  • the device 10 may be designed to determine the voltage U G E during operation of the switch arrangement 24, so that decommissioning of the switch arrangement 24 and application of reference cycles or a test scenario can be dispensed with.
  • FIG. 4 shows a schematic comparison of a voltage curve of the voltage UGE with a voltage curve of a collector-emitter voltage U C E during a switch-on behavior of a semiconductor-based switch from a non-conductive state to a conductive state. From a point in time t 0 to a point in time t- 1 , for example, there is no activation of the semiconductor-based switch, which means that it remains in the blocking state.
  • the voltage U G E ZU begins to rise, while the voltage U C E almost unchanged remains.
  • the voltage U G E reaches a value corresponding to the threshold voltage (threshold voltage), which is designated as U G E (th).
  • the voltage U C E begins to decrease, that is, the semiconductor-based switch begins to conduct increasingly.
  • the voltage U G E continues to increase when additional charge carriers are conducted to the gate of the semiconductor-based switch.
  • the voltage U GE reaches a Miller voltage, designated U GE (mil).
  • U GE Miller voltage
  • the voltage U GE remains in the region of the Miller voltage U GE (mil) until the parasitic capacitances of the semiconductor-based switch are sufficiently charged. This is done, for example, at a time t 4 .
  • the voltage U GE continues to increase while the voltage U C E continues to decrease.
  • the time interval [t 4 ; t 3 ] between the times t 3 and t 4 in which the voltage U G E remains in the range of the Miller voltage U GE (mil) can be referred to as the Miller plateau 44.
  • Additional capacitances or resistances such as material transitions on bond wires, effective capacitance through the placement of the semiconductor-based switch on a board, or other connections of the semiconductor-based switch, can affect the parasitic capacitances that are charged during the Miller plateau.
  • these capacitances or resistances may be effective as an effective capacitance and / or an effective resistance between the gate and the emitter (in the case of a FET between the gate and a drain terminal) and be referred to as Miller capacitance.
  • a change in a time duration between the times t 3 and t 4 and / or an amplitude value of the Miller voltage U GE (mil) can thus provide information about whether the properties of the semiconductor-based switch or of the switch arrangement change. For example, as bonding of the semiconductor-based switch dissipates to an increasing extent, the Miller capacitance may be of an increasing value such that the Miller voltage U GE (mil) or a time duration of the Miller plateau increases.
  • Previously described processing means may be configured to determine such a change in the Miller plateau to determine the state of the semiconductor-based switch and / or the switch assembly.
  • the parameter value may be, for example, a time duration and / or an amplitude value of the Miller Plateau.
  • measuring times are indicated, for example at discrete times, at which the parameter value is determined by the processing device by means of the comparison.
  • the ordinate also schematically indicates a threshold value.
  • the comparison may provide a value above the threshold. For example, this is a difference formation or a quotient formation between a time duration of the Miller-Plateau of the measurement signal and the reference signal and / or an amplitude value of the gate-emitter voltage.
  • results based on the comparison can also be obtained in which a changed state can be obtained in which the measured value or the comparison value lies below the threshold value. This can be done based on other mathematical comparison operations, such as addition or multiplication.
  • the processing device can be designed to be based on the comparison result, which is above or below the threshold, to determine that the switch assembly has damage, has failed or that a failure is imminent.
  • FIG. 6a shows, by way of example, a two-dimensional matrix in which an index is made in the columns with measurements taken and in the rows a respective parameter value, for example an amplitude of the Miller plateau or a time duration of the Miller plateau.
  • the processing device can be designed to store the respective comparison or measurement result in a memory, for example in the memory 28.
  • the stored results can be represented in the form of the matrix illustrated in FIG. 6a.
  • 6b shows a schematic two-dimensional diagram in which a time axis is plotted on the abscissa with times discretely applied thereto, to which the respective parameter is measured and / or compared.
  • the parameter value is schematically plotted on the ordinate of the diagram.
  • the processing device can be designed to store the respective comparison result and / or the respective measured values for at least a portion of the measurements and to predict (extrapolate) a development of the measurement results. This allows a prediction of a possible or probable instant when the switch assembly reaches a state that is out of tolerance (threshold) and / or the switch assembly fails.
  • This time can be indicated, for example, in the form of a remaining time or in the form of a remaining proportion of switching cycles.
  • the processing device may be designed to store the respective measured signal obtained for a measurement or parameters extracted therefrom as reference value or reference signal for subsequent measurements. For example, a change ⁇ between the parameter value of a previous measurement and a current measurement can thus be determined so that the change of the parameter can also be considered as the parameter to be evaluated for a successful or imminent failure of the switch arrangement.
  • the processing device can be designed to use the first or second measurement signal (a preceding measurement signal) as a reference signal and to compare a third measurement signal, which is detected with respect to a subsequent time interval, with the reference signal used.
  • the processing device can be configured to determine a deviation between the measurement signal and one or more reference signal.
  • the processing means may alternatively or additionally be configured to determine the comparison based on one or more comparisons made above.
  • Fig. 7a shows a schematic diagram of voltage waveforms of the gate-emitter voltage UGE, the collector-emitter voltage U C E and a collector-emitter current IGE-, which serves here only for clarity, whether the switch in a conductive or non-conductive state.
  • the voltage U G E essentially has the Miller voltage U G E (mil).
  • Contact resistances of the bonding wires have a first value, for example 1, 5 mOhm.
  • Fig. 7b shows a schematic diagram of the same voltages in which the contact resistances are increased towards a higher value, for example 10 mOhms.
  • a time duration ⁇ t ' is also increased compared with a corresponding time duration ⁇ t in FIG. 7a, which can be determined based on the comparison by the processing device. That is, the state change of the switch arrangement can be determined based on the extended time interval At '.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of a so-called power cycling test, in which a collector-emitter voltage V C E, which changes over several temperatures, is considered, for example, when an IGBT has the conducting state.
  • V C E collector-emitter voltage
  • the self-adjusting collector-emitter voltage increases with an increasing number of switching cycles, wherein a statistical determination is made after how many switching cycles threatens a failure of the module.
  • Such a method thus does not allow consideration of a changing state of the semiconductor-based switch or the switch assembly during operation.
  • Previously described embodiments allow such a consideration of the durability of a semiconductor-based switch a statement about the operational readiness of the same, which are at least partially independent of foreclosed forecasts.
  • the time profile of the gate-emitter voltage is evaluated. Due to the influence of the collector-emitter voltage on the length of the Miller-Plateau, changes in the collector-emitter voltage, which are caused, for example. By a detachment of a bonding wire or by a detachment of the device from the bottom plate detected and therefrom Aging degree of a power device or a power module (switch assembly) determined.
  • the Miller Plateau may increase to higher voltage levels and / or extend the length of the Miller Plateau.
  • a curve of the gate-emitter voltage can be recorded in the original state and stored as a calibration curve.
  • a percentage change in the length of the Miller plateau can be used as a default criterion.
  • the time profile of the gate-emitter voltage can be evaluated, for example, by Fourier transformation or wavelet analysis. As a result, a higher accuracy of the failure prediction can be achieved.
  • An evaluation can be achieved by recording the gate-emitter voltage profile during operation of the device (for example a frequency converter) or during control measurements.
  • embodiments described above can be used in semiconductor-based switches for switching inductive loads.
  • the gate-emitter voltage increases initially (possibly linearly).
  • the threshold voltage is reached, the transistor begins to conduct current and the collector-emitter voltage begins to decrease.
  • the gate-emitter voltage continues to increase until it is approximately equal to the collector-emitter voltage.
  • the gate-emitter voltage remains substantially constant (Miller plateau), while the gate charge current flows over the Miller capacitance.
  • Example embodiments described above can be used, for example, as a frequency converter (AC / AC converter), as a rectifier (AC / DC converter), in particular as a synchronous rectifier and / or as an inverter (DC / AC converter).
  • AC / AC converter frequency converter
  • AC / DC converter rectifier
  • DC / AC converter inverter
  • aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software.
  • the implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or FLASH memory, a hard disk, or other magnetic disk or optical memory are stored on the electronically readable control signals that can cooperate with a programmable computer system or cooperate such that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
  • some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
  • embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can also be stored, for example, on a machine-readable carrier.
  • Other embodiments include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
  • an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for performing one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
  • a further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
  • Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.
  • a programmable logic device eg, a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform one of the methods described herein.
  • the methods are performed by any hardware device. This may be a universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.
  • CPU computer processor
  • ASIC application specific integrated circuit

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Abstract

Eine Vorrichtung umfasst einen Spannungsmesser und eine Verarbeitungseinrichtung. Der Spannungsmesser ist konfiguriert, um eine Spannung zwischen einem Steueranschluss und einem Leistungsanschluss eines halbleiterbasierten Schalters zu messen und um ein Messsignal zu erhalten. Die Verarbeitungseinrichtung ist ausgebildet, um das Messsignal mit einem Referenzsignal zu vergleichen, und um basierend auf dem Vergleich einen Zustand einer Schalteranordnung, die den halbleiterbasierten Schalter umfasst, zu bestimmen.

Description

Vorrichtung zum Bestimmen eines Schalterzustands, Schaltervorrichtung, Verfahren zum Bestimmen eines Schalterzustands und Computerprogramm
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Zustande eines halbleiterbasierten Schalters, auf eine Schaltervorrichtung, auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines halbleiterbasierten Schalters und auf ein Computerprogramm. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur in-situ- Bestimmung des Alterungsgrades eines Leistungsbauelements oder eines Leistungsmoduls und zur Extrapolation auf den Zeitpunkt des Ausfalls der Baugruppe. Zurzeit gibt es kein Verfahren, frühzeitig den alterungsbedingten Ausfall einer leistungselektronischen Baugruppe, eines Einzelbauelements oder eines Moduls, wie er beispielsweise durch eine Ablösung eines Bonddrahts oder eine Ablösung des Bauelements von der Bodenplatte hervorgerufen wird, zu erkennen. Ein in DE 10 2007 024 175 A1 beschriebenes Verfahren bezieht sich lediglich auf die Erkennung einer Schädigung eines Gateoxids.
Wünschenswert wäre ein Konzept zum Bestimmen eines Zustands einer Schalteranordnung, das eine umfassende Aussage über den Zustand der Schalteranordnung ermög- licht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zu schaffen, das eine zuverlässige Bestimmung eines Zustands einer Schalteranordnung ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass sich mit zunehmender Schädigung der Schalteranordnung ein Spannungsverlauf zwischen einem Steueranschluss und einem Leistungsanschluss eines halbleiterbasierten Schalters während eines Umschaltvorgangs zunehmend ändert und dass ein Maß der Abweichung zwischen einem erfassten Spannungsverlauf und einem Referenzsignal als Maß für eine Schädigung der Schalteranordnung interpretierbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung einen Spannungsmesser, der konfiguriert ist, um eine Spannung zwischen einem Steueranschluss und einem Leis- tungsanschluss eines halbleiterbasierten Schalters zu messen und um ein Spannungssignal zu erhalten. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Verarbeitungseinrichtung, die ausgebildet ist, um das Messsignal mit einem Referenzsignal zu vergleichen, und um basierend auf dem Vergleich einen Zustand einer Schalteranordnung, die den halbleiterbasier- ten Schalter umfasst, zu bestimmen. Vorteilhaft daran ist, dass die Spannung zwischen dem Steueranschluss und dem Leistungsanschluss präzise erfassbar ist und dass basierend auf dem Vergleich ein Zustand des Schalters auch bezüglich Komponenten, die außerhalb des reinen Halbleiterelements angeordnet sind zuverlässig bestimmbar ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt das Referenzsignal eine Information bezüglich der Spannung zwischen dem Steueranschluss und dem Leistungsanschluss des halbleiterbasierten Schalters an, wenn die Schalteranordnung einen unbeschädigten oder innerhalb eines Toleranzbereichs beschädigten Zustand aufweist. Vorteilhaft daran ist, dass ein Maß einer Abweichung des Messsignals und des Referenzsignals in ein Maß überführbar ist, in welchem die Schalteranordnung einen beschädigten Zustand aufweist oder außerhalb des Toleranzbereichs beschädigt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet, um eine Information bezüglich eines Miller-Plateaus des Messsignals mit einer Informati- on eines Miller-Plateaus des Referenzsignals zu vergleichen. Vorteilhaft daran ist, dass das Miller-Plateau einen charakteristischen Signalabschnitt einer Gate-Emitter-Spannung eines halbleiterbasierten Schalters während dessen Einschalten darstellt und dass das Miller-Plateau bezüglich seiner Amplitudenhöhe und/oder Zeitdauer mit entsprechenden Signalabschnitten des Referenzsignals verglichen werden kann. Dies ermöglicht eine zu- verlässige Bestimmung des Zustands der Schalteranordnung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet, um das Messsignal zumindest teilweise in einen Frequenzbereich zu transformieren, um ein transformiertes Messsignal zu erhalten, wobei das Referenzsignal Frequenzinformati- onen aufweist und wobei die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, um das transformierte Messsignal mit den Frequenzinformationen zu vergleichen. Vorteilhaft daran ist, dass basierend auf Frequenzinformationen Parameter wie eine Umschaltgeschwindigkeit (beispielsweise von leitend zu nicht-leitend oder umgekehrt) ausgewertet werden können und dass basierend auf diesen Parametern eine Bewertung des Zustands der Schalteranordnung ermöglicht ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet, um ein erstes Messsignal, das bezüglich eines ersten Zeitintervalls und bezüglich des halbleiterbasierten Schalters erfasst wird, in einem Referenzsignalspeicher zu hinterlegen und um das erste Messsignal mit einem zweiten Messsignal, das bezüglich eines zweiten Zeitintervalls, das auf das erste Zeitintervall folgt, zu vergleichen. Die Verarbeitungseinrichtung ist ausgebildet, um das erste Messsignal bezüglich des zweiten Messsignals als Referenzsignal zu verwenden. Vorteilhaft daran ist, dass eine Hinterlegung eines Messsignals als Referenzsignal für spätere Vergleiche eine Degradierung oder Zustandsände- rung der Schalteranordnung über die Zeit feststellbar und eine Aussage über einen vo- raussichtlichen Ausfall der Baugruppe extrapolierbar ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Schaltervorrichtung eine Schalteranordnung mit einem halbleiterbasierten Schalter und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Zustands der Schalteranordnung. Die Verarbeitungseinrichtung ist ausgebildet, um basierend auf dem Vergleich ein Vergleichsergebnis zu erhalten, um das Vergleichsergebnis mit einem Schwellwert zu vergleichen und um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dass eine Information bezüglich einer verbleibenden Betriebsbereitschaft der Schalteranordnung aufweist, wenn das Vergleichsergebnis bezogen auf den Schwellwert eine vordefinierte Abweichung aufweist. Die Vorrichtung ist konfiguriert, um den halbleiterbasierten Schalter zu steuern und um basierend auf dem Ausgangssignal einen Betrieb des halbleiterbasierten Schalters zu beenden oder um das Ausgangssignal an eine weitere Vorrichtung zu senden, die konfiguriert ist, um den halbleiterbasierten Schalter zu steuern. Vorteilhaft daran ist, dass ein zukünftiger Betrieb rechtzeitig vor einem Ausfall unterbrochen oder beendet werden kann, um eine Reparatur auszuführen, bevor ein Ausfall des halblei- terbasierten Schalters oder der Schalteranordnung auftritt.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands einer Schalteranordnung und auf ein Computerprogramm. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung, die einen Spannungsmesser und eine Verarbeitungseinrichtung umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung, die ausgebildet ist, um den Zustand einer Schalteranordnung zu bestimmen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltervorrichtung, die die Schalteranordnung und die Vorrichtung aus Fig. 1 umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Gegenüberstellung von Spannungsverläufen während eines Einschaltverhaltens eines halbleiterbasierten Schalters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm, bei dem an der Abszisse eine Zeitachse und an der Ordinate ein beispielhaft normierter Parameterwert bezeichnet ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6a beispielhaft eine zweidimensionale Matrix, bei der in den Zeilen ein jeweiliger Parameterwert angeordnet ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6b ein schematisches zweidimensionales Diagramm, bei dem an der Abszisse eine Zeitachse mit daran diskret aufgetragenen Zeitpunkten, zu denen der jeweilige Parameter gemessen und/oder verglichen wird, eingetragen ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7a ein schematisches Diagramm von Spannungsverläufen einer Gate-Emitter- Spannung und einer Kollektor-Emitter-Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 7b ein schematisches Diagramm derselben Spannungen, bei denen Übergangswiderstände aus Fig. 7a hin zu einem höheren Wert erhöht sind gemäß einem Ausführungsbeispiel; und Fig. 8 ein schematisches Diagramm eines sogenannten Belastungstests gemäß dem Stand der Technik.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funk- tionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf halbleiterbasierte Schalter, die bspw. Basismaterialien umfassend Silizium, Siliziumcarbid (SiC) und/oder Galliumnitrid (GaN) aufweisen können. Halbleiterbasierte Schalter können beispielsweise als Metall-Oxid-Halbleiterfeldeffekttransistoren (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect- Transistor - MOSFET) oder als Bipolartransistor ausgeführt sein. Halbleiterbasierte Schalter können eine normal leitende oder normal sperrende Konfiguration aufweisen. Ferner können halbleiterbasierte Schalter eine isolierte Gate-Elektrode aufweisen, etwa in Form eines MOSFET mit isolierter Gate-Elektrode oder in Form eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar Transistor - IGBT). Ferner können halbleiterbasierte Schalter von einem Typ n-Kanal oder p-Kanal sein. Basierend auf einer Konzentration von Ladungsträgern, die auf einer Steuer-Kapazität (Gate-Kapazität) gespeichert ist, kann ein Schalterzustand, beispielsweise leitend oder sperrend, verändert werden, das bedeutet, der halbleiterbasierte Schalter geschaltet werden.
Für eine bessere Klarheit werden nachfolgend halbleiterbasierte Schalter so beschrieben, dass diese einen sperrenden Zustand (d.h. nicht oder gering leitend) aufweisen, wenn eine Konzentration an Ladungsträgern in der Steuer-Kapazität so gering ist, dass ein Steuer-Potential oder Steuer-Spannung an dem Steuer-Anschluss unterhalb eines Schalter-Schwellwerts (engl.: Threshold-Spannung) liegt. Weist die Konzentration an Ladungsträgern einen höheren Wert auf, so dass die Steuer-Spannung oberhalb des Schwellwerts liegt, weist der halbleiterbasierte Schalter einen leitenden Zustand auf. Es versteht sich, dass diese Zustände basierend auf der Konfiguration des halbleiterbasierten Schalters, beispielsweise normal leitend/normal sperrend wechselseitig vertauschbar sind.
Obwohl sich nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele auf eine Zunahme der La- dungsträgerkonzentration in der Gate-Elektrode eines IGBT beziehen, um diesen in einen leitenden Zustand zu überführen, kann auch ein nicht-leitender Zustand herbeigeführt werden oder eine andere Form eines halbleiterbasierten Schalters angeordnet sein. Nachfolgend aufgeführte Bezeichnungen der Anschlüsse des halbleiterbasierten Schalters, wie Gate, Emitter und Kollektor können basierend auf anderen Arten von Schaltern wechselseitig vertauscht werden, etwa mit Gate, Drain und Source.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 0, die einen Spannungsmesser 12 und eine Verarbeitungseinrichtung 14 umfasst. Der Spannungsmesser ist konfiguriert, um eine Spannung UGE zwischen einem Steueranschluss (Gate-G) und einem Leistungsanschluss eines halbleiterbasierten Schalters 16 zu messen und um die gemessene Spannung UGE in ein Messsignal 18 zu überführen. Bei dem Leistungsanschluss kann es sich bspw. um einem Emitteranschluss E handeln. Das Messsignal 1 8 weist somit Informationen bezüglich der Spannung UGE auf. Bei den Informationen kann es sich um den tatsächlichen Spannungswert, eine Folge von Abtastwerden oder derglei- chen oder eine Skalierung eines oder mehrerer Spannungswerte handeln.
Die Verarbeitungseinrichtung 14 ist ausgebildet, um das Messsignal 18 mit einem Referenzsignal 22 zu vergleichen. Bei dem Referenzsignal kann es sich im einen hinterlegten (skalierten oder unskalierten) Spannungsverlauf, um einen oder mehrere (skalierten oder unskalierten) Abtastwerte handeln. Alternativ oder zusätzlich kann das Referenzsignal 22 auch weitere Informationen aufweisen, etwa eine Triggerspannung, bei der der Vergleich ausgeführt wird, wenn das Messsignal die Triggerspannung über- oder unterschreitet. Der Vergleich kann zwischen gleichartigen oder verschiedenartigen Signalen oder Signalmerkmalen ausgeführt werden. So kann die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, um jeweils einen zeitlichen Verlauf des Messsignals 1 8 mit einem zeitlichen Verlauf des Referenzsignals 22 zu vergleichen. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein zeitlicher Verlauf mit einem oder mehreren Abtastwerten verglichen werden. Der Vergleich kann in Echtzeit ausgeführt werden. Alternativ kann der Vergleich auch nach einem erfolgten Umschaltvorgang des halbleiterbasierten Schalters 16 ausgeführt werden. Der Vergleich kann bei oder nach jedem Umschaltvorgang ausgeführt werden. Alternativ kann der Vergleich auch bezüglich eines Teils der Umschaltvorgänge ausgeführt werden, etwa bezüg- lieh jedes zweiten, dritten, fünften oder zehnten Umschaltvorgangs oder eines anderen Wertes.
Die Verarbeitungseinrichtung 14 ist ausgebildet, um basierend auf dem Vergleich des Messsignals 18 mit dem Referenzsignal 22 einen Zustand einer Schalteranordnung 24, die den halbleiterbasierten Schalter 16 umfasst, zu bestimmen. Die Schalteranordnung 24 umfasst den halbleiterbasierten Schalter 16 und kann optional weitere Komponenten, wie etwa eine Platine, auf der der halbleiterbasierte Schalter 16 angeordnet ist, Leistungsanschlüsse für eine Kontaktierung des halbleiterbasierten Schalters 16 mit weiteren Kompo- nenten einer Schaltung oder Baugruppe oder Verbindungen zwischen dem halbleiterbasierten Schalter und anderen Komponenten umfassen. Eine derartige Verbindung kann als eine Bonddrahtverbindung ausgeführt sein, mit der der halbleiterbasierte Schalter 16 mit der Platine verbunden ist. Darüber hinaus kann der Zustand auch eine Anbindung (elektrische Verbindung) einer elektrischen Last 26, die mit der Schalteranordnung 24 geschaltet wird, an die Schalteranordnung 24 umfassen.
Das bedeutet, dass sich der Zustand auf eine Beschädigung oder eine Alterung des halbleiterbasierten Schalters 16 und/oder auf eine Beschädigung oder eine Alterung einer Verbindung des halbleiterbasierten Schalters mit der Komponente beziehen kann. Bei der Komponente kann es sich auch um eine Platine handeln, an der der halbleiterbasierte Schalter 16 angeordnet ist, so dass sich der Zustand auf die mechanische Verbindung des halbleiterbasierten Schalters 16 mit der Platine und/oder auf die elektrische Verbindung der elektrischen Anschlüsse des halbleiterbasierten Schalters 16 und der Platine beziehen kann.
Das Referenzsignal kann Informationen bezüglich einer Spannung zwischen dem Gate (Steueranschluss) und dem Kollektor oder Emitter (Leistungsanschluss) des halbleiterbasierten Schalters 16 aufweisen, wenn die Schalteranordnung 24 einen unbeschädigten oder innerhalb eines Toleranzbereichs beschädigten Zustand aufweist. Beispielsweise kann das Referenzsignal einen Verlauf der Gate-Emitter-Spannung UGE in dem unbeschädigten Zustand der Schalteranordnung 24 angeben. Ein Maß der Abweichung zwischen dem Referenzsignal 22 und dem Messsignal 18 kann als Maß für die Beschädigung der Schalteranordnung 24 interpretiert werden. Das Referenzsignal 22 kann sich auf einen Zustand beziehen, der nach einer Fertigung der Schalteranordnung 24 erhalten wird und bezüglich der Schalteranordnung 24 erfasst werden, etwa in Form einer Kalibrierung. Alternativ oder zusätzlich kann das Referenzsignal auch eine von extern erhaltene Information sein, etwa in Form einer Sollkurve, die für einen Aufbau der Schalteranordnung 24 erstellt wird. Dies ermöglicht eine Funktions- und/oder Qualitätskontrolle während einer Inbetriebnahme der Schalteranordnung 24, da mittels des Vergleichs auch Abweichungen bezüglich des Sollzustands ermittelt werden können. Das Referenzsignal kann zumindest teilweise auch eine Information bezüglich vorangehender Vergleiche oder er- fasster Spannungswerte aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, um basierend auf einem iterativ wiederholt durchgeführten Vergleich eine Entwicklung des Zu- Stands zu bestimmen. Die Verarbeitungseinrichtung kann ausgebildet sein, um eines oder mehrere (d. h., zumindest ein zweites) vorangegangene Messsignale als Referenzsignal zu verwenden. Die Verarbeitungseinrichtung kann ausgebildet sein, um ein weiteres (drittes) Messsignal mit dem oder den verwendeten Referenzsignal(en) zu vergleichen. Die Verarbeitungseinrichtung kann ferner ausgebildet sein, um eine Abweichung zwischen den Vergleichen zu bestimmen. Dies ermöglicht die Bestimmung einer Veränderungsgeschwindigkeit, mit der sich der Zustand der Schalteranordnung 24 ändert.
Jedes Messsignal kann bezüglich eines Zeitintervalls erfasst werden, in welchem der halbleiterbasierte Schalter 16 einen Schaltvorgang ausführt, wobei die Zeitintervalle in einer Reihenfolge auf einander folgen, in der die Schaltvorgänge, bezüglich derer das jeweilige Messsignal erfasst wird, zeitlich angeordnet sind.
Die Verarbeitungseinrichtung 14 kann ausgebildet sein, um einen zeitlichen Verlauf des Messsignals 18 mit einem zeitlichen Verlauf des Referenzsignals 22 zu vergleichen. Al- ternativ oder zusätzlich kann die Verarbeitungseinrichtung auch ausgebildet sein, um aus dem zeitlichen Verlauf des Messsignals 18 und/oder Referenzsignals 22 extrahierte Informationen zu vergleichen. Bei einer derartigen Information kann es sich um eine oder mehrere Zeitdauern und/oder Amplitudenwerte handeln. So kann beispielsweise eine Zeitdauer eines Miller-Plateaus des Messsignals 18 mit einer Zeitdauer, die von dem Re- ferenzsignal 22 bereitgestellt wird, verglichen werden. Das bedeutet, dass das Referenzsignal 22 eine Information bezüglich der entsprechenden Zeitdauer umfassen oder darstellen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Verarbeitungseinrichtung 14 ausgebildet sein, um eine Amplitude des Miller-Plateaus des Messsignals 18 mit einem Amplitudenwert, der von dem Referenzsignal 22 umfasst wird, zu vergleichen. Ein Beginn des Miller-Plateaus kann bspw. dadurch ermittelt werden, dass zu Beginn desselben eine Gate-Emitter-Spannung und eine Kollektor-Emitter-Spannung innerhalb eines Toleranzbereichs gleich ist. Eine derartigen Information kann bspw. als Triggerpunkt von dem Referenzsignal umfasst sein, zu dem die Vergleichseinrichtung nachfolgend die Messung oder den Vergleich ausführt.
Das bedeutet, dass es sich bei dem Referenzsignal 22 um einen Amplitudenwert handeln kann oder dass das Referenzsignal 22 einen Amplitudenwert umfasst. Mit zunehmender Schädigung der Schaltervorrichtung 24 kann eine zeitliche Dauer oder ein Amplitudenwert des Miller-Plateaus des Messsignals 18 bzw. der Gate-Emitter- Spannung UQE zunehmen, so dass basierend auf der zeitlichen Länge und/oder der Amplitudenhöhe des Miller-Plateaus auf einen Zustand bzw. auf eine Schädigung der Schalteranordnung 24 geschlossen werden kann.
Die Vorrichtung 10 umfasst beispielsweise einen Speicher 28, der ausgebildet ist, um das Referenzsignal 22 zu speichern und um das Referenzsignal 22 der Verarbeitungseinrichtung 14 bereitzustellen. Alternativ kann die Vorrichtung 10 auch ohne den Speicher 28 ausgeführt sein und das Referenzsignal 22 beispielsweise in Form eines externen Signals erhalten.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 20, die ausgebildet ist, um den Zustand der Schalteranordnung 24 zu bestimmen und mit der Schalteranordnung 24 verbunden ist.
Eine Verarbeitungseinrichtung 32 ist, verglichen mit der Verarbeitungseinrichtung 14 aus Fig. 1 , ausgebildet, um ein Statussignal 34 auszugeben. Das Statussignal 34 kann eine Information darüber aufweisen, ob der Zustand der Schalteranordnung 24 innerhalb oder außerhalb eines zulässigen Bereichs (Toleranzbereich) liegt. Beispielsweise kann das Statussignal 34 anzeigen, dass die Schalteranordnung 24 ausgefallen ist, kurz vor einem Ausfall steht oder noch eine bestimmte Anzahl von Schaltzyklen (Betriebsdauer) vermutet werden, die die Schalteranordnung 24 bzw. der halbleiterbasierte Schalter 16 vor einem Ausfall desselben ausführen kann. Beispielsweise kann die Vorrichtung 20 bzw. die Verarbeitungseinrichtung 32 ausgebildet sein, um das Statussignal 34 auszugeben, wenn die zeitliche Dauer des Miller-Plateaus des Messsignals 18 um eine Zeitfaktor von größer oder gleich 1 ,01 , größer oder gleich 1 ,2, größer oder gleich 1 ,3 oder größer oder gleich 1 ,4 größer ist als eine entsprechende Information des Referenzsignals 22. Hierfür kann die Verarbeitungseinrichtung 32 ausgebildet sein, um aus einem zeitlichen Verlauf des Referenzsignals 22 die entsprechende Zeitdauer des Miller-Plateaus desselben zu bestimmen und mit der Zeitdauer des Miller- Plateaus des Messsignals 18 zu vergleichen. Alternativ kann das Referenzsignal 22 die entsprechende Zeitangabe als vorverarbeitete Information aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 20 bzw. die Verarbeitungseinrichtung 32 ausgebildet sein, um das Statussignal 34 auszugeben, wenn die Amplitude des Miller- Plateaus des Messsignals 18 um zumindest einen Amplitudenfaktor von größer oder gleich 1 ,01 , größer oder gleich 1 , 15 oder größer oder gleich 1 ,2 größer ist als die Amplitude des Miller-Plateaus des Referenzsignals 22. Die Amplitude des Miller-Plateaus des Referenzsignals 22 kann als Amplitudenwert vorliegen oder aus einem zeitlichen Verlauf des Referenzsignals 22 von der Verarbeitungseinrichtung 32 bestimmt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Verarbeitungseinrichtung 32 oder die Verarbeitungseinrichtung 14 ausgebildet sein, um das Messsignal 18 zumindest teilweise in den Frequenzbereich zu transformieren, etwa durch eine Fourier-Transformation, eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) und/oder eine Wavelet-Transformation. Die Verarbeitungseinrichtung ist ausgebildet, um basierend auf der Transformation ein transformiertes Messsignal zu erhalten. Das Referenzsignal 22 kann bezüglich der Transformation vergleichbare (Frequenz-)lnformationen aufweisen. Die Frequenzinformationen können beispielsweise Informationen bezüglich einer Schaltgeschwindigkeit oder eine Steilheit von Signalflanken während des Umschaltens aufweisen. Die Verarbeitungseinrichtung 32 kann ausgebildet sein, um die Frequenzinformationen des Messsignals 18 mit dem Referenzsignal 22 bzw. dessen Frequenzinformationen zu vergleichen.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltervorrichtung 30, die die Schalteranordnung 24 und die Vorrichtung 10 umfasst. Die Vorrichtung 10 ist an einem ersten Anschluss 36a mit dem Gate-Anschluss des halbleiterbasierten Schalters 16 und an einem zweiten Anschluss 36b mit dem Emitteranschluss des halbleiterbasierten Schalters 16 verbunden und ausgebildet, um die Gate-Emitter-Spannung UGE des halbleiterbasierten Schalters 16 mittels des Spannungsmessers 12 zu bestimmen. Die Vorrichtung 10 ist ausgebildet, um den halbleiterbasierten Schalter 16 mit einem Steuersignal 38 zu steuern. Die Vorrichtung 10 umfasst einen weiteren Anschluss 42, der mit dem Gate-Anschluss des halbleiterbasierten Schalters 16 verbunden ist. Die Vorrich- tung 10 ist ausgebildet, um mittels des Steuersignals 38 den halbleiterbasierten Schalter 16 zu steuern, etwa indem das Steuersignal 38 Ladungsträger an das Gate G liefert oder von diesem abführt. Das Steuersignal 38 kann von einem (nicht gezeigten) Prozessor der Vorrichtung 10 bereitgestellt werden. Alternativ kann das Steuersignal 38 auch von der Verarbeitungseinrichtung 14 bereitgestellt werden.
Die Vorrichtung 10 ist konfiguriert, um basierend auf dem Statussignal 34 einen Betrieb des halbleiterbasierten Schalters 16 zu ermöglichen oder zu beenden. Beispielsweise ist die Verarbeitungseinrichtung 14 ausgebildet, um das Vergleichsergebnis mit einem Schwellwert zu vergleichen und um das Statussignal 34 zu erzeugen, wenn das Ver- gleichsergebnis bezogen auf den Schwellwert eine vordefinierte Abweichung (innerhalb oder außerhalb des Toleranzbereichs) aufweist. Das Statussignal 34 kann alternativ oder zusätzlich eine Information bezüglich einer verbleibenden Betriebsbereitschaft der Schalteranordnung 24 aufweisen. Vereinfacht ausgedrückt kann das Statussignal 34 anzeigen, dass der Zustand der Schalteranordnung 24 in Ordnung ist oder dass ein Ausfall des halbleiterbasierten Schalters 16 bzw. der Schalteranordnung 24 bevorsteht. Die Vorrichtung ist beispielsweise konfiguriert, um den halbleiterbasierten Schalter mittels des Steuersignals 38 zu steuern und um basierend auf dem Statussignal 34 den Betrieb des halbleiterbasierten Schalters 16 zu beenden. Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass das Statussignal 34 Informationen darüber aufweist, dass der Zustand des halbleiterbasierten Schalters 16 bzw. der Schalteranordnung 24 in Ordnung ist (d.h. innerhalb des Toleranzbereichs liegt) und die Vorrichtung 10 konfiguriert ist, um den Betrieb des halbleiterbasierten Schalters 16 so lange zu ermöglichen, wie das Statussignal 34 diese Information aufweist. Alternativ kann die Vorrichtung konfiguriert sein, um das Statussignal 34 an eine weitere Vorrichtung zu senden, die konfiguriert ist, um den halbleiterbasierten Schalter 16 zu steuern und/oder den Betrieb desselben zu beenden.
Die Schaltervorrichtung 30 kann als Vorrichtung zum Schalten der Komponente 26 ausge- führt sein. Die Schalteranordnung 30 kann als DC/DC-Wandler oder DC/AC-Wandler, wie z.B. im Bereich der Spannungswandler, Frequenzumrichter oder Synchrongleichrichter ausgeführt sein.
Vorteilhaft an derartigen Ausführungsformen ist, dass Schaltervorrichtungen ermöglicht werden, die ausgebildet sind, um einen degradierenden oder defekten Zustand der Schalteranordnung 24 während eines Betriebs derselben zu erkennen. Die Schaltervorrichtung kann ausgebildet sein, um basierend auf dem degradierenden oder defekten Zustand einen sicheren Zustand der gesamten Vorrichtung oder zumindest Teilen hiervon einzustellen, bevor es zu einem Versagen der Schalteranordnung 24 kommt (Fail-Safe). Insbe- sondere kann die Vorrichtung 10 ausgebildet sein, um die Spannung UGE während eines Betriebs der Schalteranordnung 24 zu bestimmen, so dass eine Außerbetriebnahme der Schalteranordnung 24 und ein Beaufschlagen mit Referenzzyklen oder einem Testszenario entfallen kann. Fig. 4 zeigt eine schematische Gegenüberstellung eines Spannungsverlaufs der Spannung UGE mit einem Spannungsverlauf einer Kollektor-Emitter-Spannung UCE während eines Einschaltverhaltens eines halbleiterbasierten Schalters von einem nicht-leitenden Zustand hin zu einem leitenden Zustand. Von einem Zeitpunkt t0 bis hin zu einem Zeitpunkt t-ι erfolgt beispielsweise keine Ansteuerung des halbleiterbasierten Schalters, das bedeutet, er verharrt im sperrenden Zustand.
Zu dem Zeitpunkt t-ι beginnt ein Einschalten des halbleiterbasierten Schalters und basierend auf einer zunehmenden Anzahl von Ladungsträgern, die auf dem Gate des halbleiterbasierten Schalters gespeichert werden, beginnt die Spannung UGE ZU steigen, wäh- rend die Spannung UCE nahezu unverändert bleibt. Zu einem Zeitpunkt t2 erreicht die Spannung UGE einen Wert, der der Schwellenspannung (Schwellwertspannung) entspricht, die als UGE(th) bezeichnet ist. Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Spannung UCE ZU sinken, das bedeutet, der halbleiterbasierte Schalter beginnt zunehmend zu leiten. Die Spannung UGE steigt weiterhin an, wenn weitere Ladungsträger an das Gate des halblei- terbasierten Schalters geführt werden.
Zu einem Zeitpunkt t3 erreicht die Spannung UGE eine Miller-Spannung, die als UGE(mil) bezeichnet ist. Schematisch betrachtet verharrt die Spannung UGE im Bereich der Miller- Spannung UGE(mil) bis die parasitären Kapazitäten des halbleiterbasierten Schalters hin- reichend aufgeladen sind. Dies ist beispielsweise zu einem Zeitpunkt t4 erfolgt. Nach dem Zeitpunkt t4 steigt die Spannung UGE weiter an, währen die Spannung UCE weiter abnimmt. Das Zeitintervall [t4; t3] zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 in dem die Spannung UGE im Bereich der Miller-Spannung UGE(mil) verharrt, kann als Miller-Plateau 44 bezeichnet werden. Zusätzliche Kapazitäten oder Widerstände, etwa durch Materialübergänge an Bonddrähten, wirksame Kapazitäten durch die Anordnung des halbleiterbasierten Schalters an einer Platine oder weitere Verbindungen des halbleiterbasierten Schalters, können die parasitären Kapazitäten, die während des Miller-Plateaus aufgeladen werden, beeinflussen. Vereinfacht ausgedrückt können diese Kapazitäten oder Widerstände als eine effektive Kapazität und/oder ein effektiver Widerstand zwischen dem Gate und dem Emitter (bei einem FET zwischen dem Gate und einem Drain-Anschluss) wirksam sein und als Miller-Kapazität bezeichnet werden. Eine Veränderung einer Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 und/oder ein Amplitudenwert der Miller-Spannung UGE(mil) kann somit Informationen darüber bereitstellen, ob sich die Eigenschaften des halbleiterbasierten Schalters bzw. der Schalteranordnung verändern. Lösen sich beispielsweise Bondverbindungen des halbleiterbasierten Schalters in einem zunehmenden Umfang, kann die Miller- Kapazität einen zunehmenden Wert aufweisen, so dass die Miller-Spannung UGE(mil) o- der eine Zeitdauer des Miller-Plateaus ansteigt.
Vorangehend beschriebene Verarbeitungseinrichtungen können ausgebildet sein, um eine derartige Änderung des Miller-Plateaus zu bestimmen und so den Zustand des halb- leiterbasierten Schalters und/oder der Schalteranordnung zu bestimmen.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm, bei dem an der Abszisse eine Zeitachse und an der Ordinate ein beispielhaft normierter Parameterwert bezeichnet ist. Bei dem Parameterwert kann es sich beispielsweise um eine Zeitdauer und/oder einen Amplitudenwert des Miller-Plateaus handeln. An der Zeitachse sind beispielhaft zu diskreten Zeitpunkten Messzeitpunkte angetragen, an denen der Parameterwert von der Verarbeitungseinrichtung mittels des Vergleichs bestimmt wird. An der Ordinate ist ferner schematisch ein Schwellwert angezeichnet. Für die Messung mit dem Index 3 kann der Vergleich einen Wert oberhalb des Schwellwerts liefern. Beispielsweise ist dies eine Differenzbildung oder eine Quotientenbildung zwischen einer Zeitdauer des Miller-Plateaus des Messsignals und des Referenzsignals und/oder eines Amplitudenwerts der Gate-Emitter-Spannung. Es versteht sich, auch andere Ergebnisse basierend auf dem Vergleich bei dem ein veränderter Zustand dadurch erhalten werden können, bei dem der Messwert bzw. der Vergleichswert unterhalb des Schwellwerts liegt. Dies kann basierend auf anderen mathema- tischen Vergleichsoperationen, wie etwa eine Addition oder eine Multiplikation erfolgen. Die Verarbeitungseinrichtung kann ausgebildet sein, um basierend auf dem Vergleichser- gebnis, das über bzw. unter dem Schwellwert liegt, festzustellen, dass die Schalteranordnung Schäden aufweist, ausgefallen ist oder dass ein Ausfall unmittelbar bevorsteht.
Fig. 6a zeigt beispielhaft eine zweidimensionale Matrix, bei der in den Spalten ein Index mit erfolgten Messungen und in den Zeilen ein jeweiliger Parameterwert, beispielsweise eine Amplitude des Miller-Plateaus oder eine zeitliche Dauer des Miller-Plateaus angeordnet ist. Die Verarbeitungseinrichtung kann ausgebildet sein, um das jeweilige Vergleichs- oder Messergebnis in einem Speicher zu hinterlegen, etwa in dem Speicher 28. Die hinterlegten Ergebnisse können in Form der in Fig. 6a dargestellten Matrix darstellbar sein.
Fig. 6b zeigt ein schematisches zweidimensionales Diagramm, bei dem an der Abszisse eine Zeitachse mit daran diskret aufgetragenen Zeitpunkten, zu denen der jeweilige Parameter gemessen und/oder verglichen wird, eingetragen ist. An der Ordinate des Dia- gramms ist der Parameterwert schematisch aufgetragen. Basierend auf der Hinterlegung der Messergebnisse in dem Speicher kann die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, um das jeweilige Vergleichsergebnis und/oder die jeweiligen Messwerte über zumindest einen Anteil der Messungen zu speichern und eine Entwicklung der Messergebnisse vorherzusagen (extrapolieren). Dies ermöglicht eine Vorhersage eines möglichen oder wahr- scheinlichen Zeitpunktes, zu dem die Schalteranordnung einen Zustand erreicht, der außerhalb des Toleranzbereichs (Schwellwert) liegt und/oder die Schalteranordnung ausfällt. Dieser Zeitpunkt kann beispielsweise in Form einer verbleibenden Zeit oder in Form eines verbleibenden Anteils von Schaltzyklen angegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, um das jeweils zu einer Messung erhaltene Messsignal oder daraus extrahierte Parameter als Referenzwert oder Referenzsignal für nachfolgende Messungen zu hinterlegen. Beispielsweise kann so eine Änderung ΔΡ zwischen dem Parameterwert einer vorangegangenen Messung und einer aktuellen Messung bestimmt werden, so dass als zu bewerten- der Parameter für einen erfolgten oder bevorstehenden Ausfall der Schalteranordnung auch die Änderung des Parameters betrachtet werden kann.
In anderen Worten kann die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, um das erste oder zweite Messsignal (ein vorangehendes Messsignal) als Referenzsignal zu verwenden und um ein drittes Messsignal, das bezüglich eines nachfolgenden Zeitintervalls erfasst wird, mit dem verwendeten Referenzsignal zu vergleichen. Die Verarbeitungseinrichtung kann ausgebildet sein, um eine Abweichung zwischen dem Messsignal und einem oder mehreren Referenzsignal zu bestimmen. Die Verarbeitungseinrichtung kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, um den Vergleich basierend auf einem oder mehreren vorangehend ausgeführten Vergleichen zu bestimmen.
Fig. 7a zeigt ein schematisches Diagramm von Spannungsverläufen der Gate-Emitter- Spannung UGE, der Kollektor-Emitter-Spannung UCE und eines Kollektor-Emitter-Stroms IGE-, der hier lediglich zur Verdeutlichung dient, ob sich der Schalter in einem leitenden oder nicht-leitenden Zustand befindet.
Während eines Zeitintervalls zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 weist die Spannung UGE im Wesentlichen die Miller-Spannung UGE(mil) auf. Übergangswiderstände der Bonddrähte weisen einen ersten Wert auf, beispielsweise 1 ,5 mOhm. Fig. 7b zeigt ein schematisches Diagramm derselben Spannungen, bei denen die Übergangswiderstände hin zu einem höheren Wert, beispielsweise 10 mOhm erhöht sind. Dadurch ist eine Zeitdauer At' gegenüber einer entsprechenden Zeitdauer At in Fig. 7a ebenfalls erhöht, was basierend auf dem Verglich von der Verarbeitungseinrichtung bestimmbar ist. Das bedeutet, die Zustandsänderung der Schalteranordnung kann basie- rend auf dem verlängerten Zeitintervall At' bestimmt werden.
Fig. 8 zeigt ein schematisches Diagramm eines sogenannten Belastungstests (engl.: Power Cycling Test), bei dem über verschiedene Temperaturen eine sich einstellende Kollektor-Emitter-Spannung VCE, wenn ein IGBT beispielsweise den leitenden Zustand aufweist, betrachtet wird. Die sich einstellende Kollektor-Emitter-Spannung nimmt mit einer zunehmenden Anzahl von Schaltzyklen zu, wobei eine statistische Bestimmung erfolgt, nach wie vielen Schaltzyklen ein Ausfall der Baugruppe droht. Ein derartiges Verfahren ermöglicht somit keine Betrachtung eines sich ändernden Zustands des halbleiterbasierten Schalters oder der Schalteranordnung im laufenden Betrieb.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele ermöglichen gegenüber einer derartigen Betrachtung der Haltbarkeit eines halbleiterbasierten Schalters eine Aussage über die Betriebsbereitschaft desselben, die von mit statistischen Fehlern behafteten Vorhersagen zumindest teilweise unabhängig sind. In anderen Worten wird in Ausführungsbeispielen der zeitliche Verlauf der Gate-Emitter- Spannung ausgewertet. Aufgrund des Einflusses der Kollektor-Emitter-Spannung auf die Länge des Miller-Plateaus, werden Änderungen der Kollektor-Emitter-Spannung, die bspw. durch eine Ablösung eines Bonddrahts oder durch eine Ablösung des Bauelements von der Bodenplatte verursacht werden, detektiert und daraus der Alterungsgrad eines Leistungsbauelements oder eines Leistungsmoduls (Schalteranordnung) ermittelt.
Aufgrund der mit zunehmender Schädigung des Bauelements zunehmenden Kollektor- Emitter-Spannung kann sich das Miller-Plateau zu höheren Spannungsniveaus erhöhen und/oder die Länge des Miller-Plateaus verlängern.
An dem verwendeten halbleiterbasierten Schalter (IGBT) kann ein Kurvenverlauf der Gate-Emitter-Spannung im Originalzustand aufgenommen und als Kalibrierungskurve abgespeichert werden. Durch Vergleich des Kurvenverlaufs beim Einschalten des IGBT nach/während dem laufenden Betrieb mit dieser Kalibrierkurve des IGBT-Originalzustands kann auf dem Zeitpunkt des Ausfalls der Baugruppe extrapoliert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine prozentuale Änderung der Länge des Miller-Plateaus als Ausfallkriterium herangezogen werden. Zur besseren Interpretierbarkeit kann der zeitliche Verlauf der Gate-Emitter-Spannung beispielsweise durch Fourier-Transformation oder Wavelet-Analyse ausgewertet werden. Hierdurch kann eine höhere Genauigkeit der Ausfallvorhersage erreicht werden.
Eine Auswertung (Vergleich) kann durch eine Aufnahme des Gate-Emitter- Spannungsverlaufs im laufenden Betrieb der Vorrichtung (beispielsweise ein Frequenzumrichter) oder bei Kontrollmessungen erreicht werden.
Beispielsweise können vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele bei halbleiterbasierten Schaltern zum Schalten induktiver Lasten eingesetzt werden. Beim Einschalten eines halbleiterbasierten Schalters in einem Schaltkreis mit induktiver Last steigt beispielsweise die Gate-Emitter-Spannung zunächst (gegebenenfalls linear) an. Mit dem Erreichen der Einsatzspannung (Schwellenspannung) beginnt der Transistor Strom zu führen und die Kollektor-Emitter-Spannung beginnt zu sinken. Die Gate-Emitter-Spannung steigt weiter, bis sie in etwa gleich der Kollektor-Emitter-Spannung ist. Zu diesem Zeit- punkt bleibt die Gate-Emitter-Spannung im Wesentlichen konstant (Miller-Plateau), während der Gate-Ladestrom über die Miller-Kapazität fließt. Hat die Miller-Kapazität bei- spielsweise ihren höchsten Wert erreicht, so hat die Kollektor-Emitter-Spannung das Bereichsende des Ausgangs-Kennlinienfeldes erreicht und die Gate-Emitter-Spannung steigt weiter an, bis auf das Niveau der angelegten Steuerspannung. Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele können bspw. als Frequenzumrichter (AC/AC-Wandler), als Gleichrichter (AC/DC-Wandler), insbesondere als Synchrongleichrichter und/oder als Wechselrichter (DC/AC-Wandler) genutzt werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein. Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerpro- gramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung umfassend: einen Spannungsmesser (12), der konfiguriert ist, um eine Spannung (UGE) zwischen einem Steueranschluss (G) und einem Leistungsanschiuss (E) eines halbleiterbasierten Schalters (16) zu messen und um ein Messsignal (18) zu erhalten; und eine Verarbeitungseinrichtung (14; 32), die ausgebildet ist, um das Messsignal (18) mit einem Referenzsignal (22) zu vergleichen, und um basierend auf dem Vergleich einen Zustand einer Schalteranordnung (24), die den halbleiterbasierten Schalter (16) umfasst, zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , bei der sich der Zustand auf eine Beschädigung oder eine Alterung des halbleiterbasierten Schalters (16) und/oder auf eine Beschädigung oder eine Alterung einer Verbindung des halbleiterbasierten Schalters (16) mit der Komponente (26) bezieht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Referenzsignal (22) eine Information bezüglich der Spannung (UGE) zwischen dem Steueranschluss (G) und dem Leistungsanschiuss (E) des halbleiterbasierten Schalters (16) anzeigt, wenn die Schalteranordnung (24) einen unbeschädigten oder innerhalb eines Toleranzbereichs beschädigten Zustand aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinrichtung (14; 32) ausgebildet ist, um einen zeitlichen Verlauf des Messsignals (18) mit einem zeitlichen Verlauf des Referenzsignals (22) oder mit Abtastwerten hiervon zu vergleichen.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinrichtung (14; 32) ausgebildet ist, um eine Information bezüglich eines Miller- Plateaus des Messsignals (18) mit einer Information eines Miller-Plateaus des Referenzsignals (22) zu vergleichen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Information eine Amplitude und/oder eine zeitliche Dauer des Miller-Plateaus aufweist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um ein Statussignal (34) auszugeben, wenn die zeitliche Dauer des Miller-Plateaus des Messsignals (18) um zumindest einen Zeitfaktor größer ist als die zeitliche Dauer des Miller-Plateaus des Referenzsignals (22), wobei der Zeitfaktor größer oder gleich 1 ,01 ist.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um ein Statussignal (34) auszugeben, wenn die Amplitude des Miller-Plateaus des Messsignals (18) um zumindest einen Amplitudenfaktor größer ist als die Amplitude des Miller-Plateaus des Referenzsignals (22), wobei der Amplitudenfaktor größer oder gleich 1 ,01 ist.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinrichtung (14; 32) ausgebildet ist, um das Messsignal (18) zumindest teilweise in einen Frequenzbereich zu transformieren, um ein transformiertes Messsignal zu erhalten, wobei das Referenzsignal (22) Frequenzinformationen aufweist und wobei die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, um das transformierte Messsignal mit den Frequenzinformationen zu vergleichen.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinrichtung (14; 32) ausgebildet ist, um ein erstes Messsignal (18), das bezüglich eines ersten Zeitintervalls und bezüglich des halbleiterbasierten Schalters erfasst wird, in einem Referenzsignalspeicher (28) zu hinterlegen und um das erste Messsignal (18) mit einem zweiten Messsignal, das bezüglich eines zweiten Zeitintervalls, das auf das erste Zeitintervall folgt, zu vergleichen, wobei die Verarbeitungseinrichtung (14) ausgebildet ist, um das erste Messsignal (18) bezüglich des zweiten Messsignals als Referenzsignal (22) zu verwenden.
1 1 . Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Verarbeitungseinrichtung (14; 32) ausgebildet ist, um das erste oder zweite Messsignal (18) als Referenzsignal (22) zu verwenden und um ein drittes Messsignal, das bezüglich eines dritten Zeitintervalls, das auf das zweite Zeitintervall folgt, erfasst wird, mit dem verwendeten Referenzsignal zu vergleichen, wobei die Verarbeitungseinrichtung ferner ausgebildet ist, um eine Abweichung zwischen den Vergleichen zu bestimmen.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Verarbeitungseinrichtung (14; 32) ausgebildet ist, um das Vergleichsergebnis während eines Betriebs des halbleiterbasierten Schalters (16) zu erhalten.
13. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ausgebildet ist, um mit einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode verbunden zu werden, und um eine Gate-Emitter-Spannung des Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode zu erfassen.
14. Schaltervorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer Schalteranordnung (24) mit einem haibleiterbasierten Schalter (16); und einer Vorrichtung (10; 20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die an einem ersten Anschluss (36a) mit dem Steueranschluss (G) des haibleiterbasierten Schalters (16) und an einem zweiten Anschluss (36b) mit dem Leistungsanschluss (E) des haibleiterbasierten Schalters (16) verbunden ist.
15. Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die Verarbeitungseinrichtung (14;
32) ferner ausgebildet ist, um basierend auf dem Vergleich ein Vergleichsergebnis zu erhalten, um das Vergleichsergebnis mit einem Schwellwert zu vergleichen und um ein Statussignal (34) zu erzeugen, das eine Information bezüglich einer verbleibenden Betriebsbereitschaft der Schalteranordnung (24) aufweist, wenn das Vergleichsergebnis bezogen auf den Schwellwert eine vordefinierte Abweichung aufweist; wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um den haibleiterbasierten Schalter (16) zu steuern und um basierend auf dem Statussignal (34) einen Betrieb des haibleiterbasierten Schalters zu beenden; oder bei der die Vorrichtung konfiguriert ist, um das Statussignal (34) an eine weitere Vorrichtung zu senden, die konfiguriert ist, um den haibleiterbasierten Schalter (16) zu steuern.
16. Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 14 oder 15, die als Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter oder Frequenzumrichter ausgeführt ist.
17. Vorrichtung umfassend: einen Spannungsmesser (12), der konfiguriert ist, um eine Spannung (UGE) zwischen einem Steueranschluss (G) und einem Leistungsanschluss (E) eines halblei- terbasierten Schatters (16) während eines Umschaltens von einem nichtleitenden Zustand hin zu einem leitenden Zustand des Schalters (16) zu messen und um ein Messsignal (18) zu erhalten; und eine Verarbeitungseinrichtung (14; 32), die ausgebildet ist, um das Messsignal (18) mit einem Referenzsignal (22) zu vergleichen, und um basierend auf dem Vergleich einen Zustand einer Schalteranordnung (24), die den halbleiterbasierten Schalter (16) umfasst, zu bestimmen; wobei die Verarbeitungseinrichtung (14; 32) ausgebildet ist, um einen zeitlichen Verlauf des Messsignals (18) mit einem zeitlichen Verlauf des Referenzsignals (22) o- der mit Abtastwerten hiervon zu vergleichen; wobei die Verarbeitungseinrichtung (14; 32) ausgebildet ist, um eine Information bezüglich eines Miller-Plateaus des Messsignals (18) mit einer Information eines Miller-Plateaus des Referenzsignals (22) zu vergleichen und wobei die Information eine Amplitude des Miller-Plateaus aufweist.
Verfahren mit folgenden Schritten:
Messen einer Spannung (UGE) zwischen einem Steueranschluss (G) und einem Leistungsanschluss (E) eines halbleiterbasierten Schalters (16) und Erhalten eines Messsignals (18);
Vergleichen des Messsignals (18) mit einem Referenzsignal (22); und
Bestimmen eines Zustands einer Schalteranordnung (24), die den halbleiterbasierten Schalters (16) umfasst, basierend auf dem Vergleich.
Verfahren mit folgenden Schritten:
Messen einer Spannung (UGE) zwischen einem Steueranschluss (G) und einem Leistungsanschluss (E) eines halbleiterbasierten Schalters (16) während eines Umschaltens von einem nichtleitenden Zustand hin zu einem leitenden Zustand des Schalters (16) und Erhalten eines Messsignals (18);
Vergleichen des Messsignals (18) mit einem Referenzsignal (22); und Bestimmen eines Zustands einer Schalteranordnung (24), die den halbleiterbasierten Schalters (16) umfasst, basierend auf dem Vergleich; wobei das Vergleichen so ausgeführt wird, dass ein zeitlicher Verlauf des Messsignals (18) mit einem zeitlichen Verlauf des Referenzsignals (22) oder mit Abtastwerten hiervon verglichen wird; und wobei das Vergleichen so ausgeführt wird, dass eine Information bezüglich eines Miller-Plateaus des Messsignals (18) mit einer Information eines Miller-Plateaus des Referenzsignals (22) verglichen wird, und wobei die Information eine Amplitude des Miller-Plateaus aufweist.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 18 oder 19, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
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