WO2023021087A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion eines kurzschlusses eines halbleiterschaltelementes in einem inverter zum bestromen eines elektrischen antriebs in einem elektrofahrzeug oder hybridfahrzeug; inverter mit einer solchen vorrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur detektion eines kurzschlusses eines halbleiterschaltelementes in einem inverter zum bestromen eines elektrischen antriebs in einem elektrofahrzeug oder hybridfahrzeug; inverter mit einer solchen vorrichtung Download PDF

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WO2023021087A1
WO2023021087A1 PCT/EP2022/072955 EP2022072955W WO2023021087A1 WO 2023021087 A1 WO2023021087 A1 WO 2023021087A1 EP 2022072955 W EP2022072955 W EP 2022072955W WO 2023021087 A1 WO2023021087 A1 WO 2023021087A1
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WO
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intermediate circuit
inverter
semiconductor switching
short
switching elements
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PCT/EP2022/072955
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Johannes Hager
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • G01R31/42—AC power supplies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/003—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to inverters
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting a short circuit in a semiconductor switching element installed in an inverter.
  • the inverter is used to power an electric drive in an electric vehicle or hybrid vehicle.
  • the invention relates to an inverter with such a device.
  • Purely electric vehicles and hybrid vehicles are known in the prior art, which are driven exclusively or in support of one or more electric machines as drive units.
  • the electric vehicles and hybrid vehicles include electric energy stores, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as direct voltage sources.
  • the electrical machines usually require an AC voltage. Therefore, power electronics with a so-called inverter are usually connected between a battery and an electric machine of an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • Such inverters usually include semiconductor switching elements, which are typically formed from transistors. It is known to provide the semiconductor switching elements with different degrees of integration, namely either as discrete individual switches with a low degree of integration but high scalability, as power modules with a high degree of integration but low scalability, and as half-bridges that have different degrees of integration and scalability between single switches and half-bridges.
  • Each half-bridge includes a high-side switch position (hereinafter: “highside”) with a higher electrical potential and a low-side switch position (hereinafter: “lowside”) with a lower electrical potential.
  • the high side and the low side can each include one or more individual switches/semiconductor switching elements that are connected in parallel.
  • the semiconductor switching elements can then be switched to be conductive or current-blocking by applying current or voltage to the semiconductor switching elements.
  • the semiconductor switching elements are preferably switched in accordance with a pulse width modulation (Engi.: Pulse Width Modulation, PWM) in order to enable a sinusoidal time characteristic of the phase currents.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • an input-side direct current can be converted into a multi-phase output current (alternating current) with several phase currents, with which an electric drive (electric machine) of an electric vehicle or hybrid vehicle is supplied with current.
  • one or more semiconductor switching elements can short-circuit. Such short circuits can burn out the affected semiconductor switching elements and thus impair the current conversion of the inverter.
  • methods for detecting such short circuits are known from the prior art. These known methods are based on evaluating the forward voltage of the semiconductor switching element when it is switched on. This can be done, for example, via a direct drain-source or collector-emitter voltage measurement or the so-called "desat method".
  • a second semiconductor switching element (low-impedance) that is assigned to the low side or high side in the same half bridge and is opposite the first semiconductor switching element has failed or that another element short-circuits the second semiconductor switching element.
  • the detection threshold should be selected in such a way that there is no erroneous short-circuit detection during regular operation of the semiconductor switching elements. Therefore the
  • Threshold can be set in such a way that all fluctuations in the forward voltage due to tolerances that are caused by the switching characteristics, the operating temperature and/or the drive voltage of the semiconductor switching elements are sufficiently taken into account. This procedure is disadvantageous, however, since the forward voltage threshold set beforehand is not reached when the inverter is operated for a longer period of time can be more appropriate, so that in this state there is a risk of destruction of the semiconductor switching elements.
  • the invention relates to an inverter for energizing an electric drive in an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • the inverter includes a number of half-bridges, each of which corresponds to one of the current phases of the multi-phase alternating current on the output side.
  • the inverter includes three half-bridges, each half-bridge being associated with an associated current phase of the three-phase output current.
  • the output current is an alternating current, which is generated based on a direct current on the input side by means of specific switching processes in the semiconductor switching elements.
  • the half bridges each include a high side and a low side.
  • the high side and the low side each include one or more semiconductor switching elements connected in parallel.
  • the semiconductor switching elements are preferably mounted on a substrate.
  • the substrate in question can be designed as a DBG (Direct Bonded Copper) substrate, as a DPC (Direct Plated Copper) substrate, as an AMB (Active Metal Brazing) substrate or as an IM (Insulated Metal) substrate .
  • the substrate is preferably of rectangular design, in particular as a flat, disk-like rectangle, each with two opposite side edges. If necessary, the substrate can also be square.
  • the substrate is attached to a heat sink on the rear side, ie on a rear side facing away from the semiconductor switching elements connected in order to extract heat from the semiconductor switching elements during operation of the half-bridge or the power module/inverter.
  • the highside allows current to flow between an AC power connection and a DC plus power connection.
  • the lowside allows current to flow between the AC power connection and a negative DC power connection.
  • the highside and the lowside are connected in series with each other.
  • the semiconductor switching element can then be switched on or off by applying voltage to the signal contact.
  • the semiconductor switching elements are preferably switched in accordance with a pulse width modulation (PWM) in order to enable a sinusoidal time characteristic of the phase currents.
  • PWM pulse width modulation
  • the high side and the low side are connected in parallel to an intermediate circuit capacitor of the inverter.
  • the intermediate circuit capacitor is connected to a battery supplying the electric drive by means of a supply line.
  • the voltage occurring at the intermediate circuit capacitor is used to detect a high-impedance short circuit in a semiconductor switching element.
  • the intermediate circuit capacitance of the intermediate circuit capacitor is determined. This can be done by reading off a predetermined value of the intermediate circuit capacitance (present, for example, in the form of manufacturer data). Alternatively, the intermediate circuit capacitance can be measured or calculated.
  • a short-circuit resistance of the inverter is determined.
  • the short-circuit resistance is the ohmic resistance that forms across a semiconductor switching element in the inverter when the semiconductor switching element is short-circuited.
  • the short-circuit resistance can be estimated to a value or a range of values. Alternatively, pre-measured values can be used for this.
  • a time constant is determined from the previously determined intermediate circuit capacitance and the previously determined short-circuit resistance.
  • the intermediate circuit voltage occurring at the intermediate circuit capacitor is measured and a change in the intermediate circuit voltage within the previously determined time constant is determined. In this way, a rate of change won.
  • the rate of change is compared with a first threshold value. If the rate of change exceeds the first threshold value, a high-impedance short circuit of a semiconductor switching element is assumed. In this case, a corresponding detection signal is preferably generated.
  • the short circuit detection is based on the monitoring of the intermediate circuit voltage and its evaluation, it is possible to detect such short circuit events in real time.
  • the method according to the invention takes into account the usual orders of magnitude of time with which load changes are adjusted in regular operation of an inverter.
  • the resulting time constant is ideal for determining the rate of change of the intermediate circuit capacitance. A lower time constant would require more data points from the measurement of the intermediate circuit capacitance, which requires more computing power for data processing. A larger time constant would affect the accuracy of the result.
  • the method additionally includes model-based forecasting of an expected change in the intermediate circuit voltage within the specified time constant.
  • the method preferably also includes comparing the predicted change in the intermediate circuit voltage with the measured change in the intermediate circuit voltage.
  • the threshold mentioned above, with which the measured rate of change is compared, can be optimized in this way. This increases the accuracy of the short-circuit detection.
  • the method also includes comparing a measured absolute value of the intermediate circuit voltage with a second threshold value. If the absolute value of the intermediate circuit voltage exceeds the second threshold value, a high-impedance short circuit of a semiconductor switching element is assumed.
  • This expanded detection option increases the reliability of the detection result.
  • the device according to the invention for detecting a short circuit of a semiconductor switching element in an inverter is designed to carry out the method according to the invention.
  • the device can be designed as an analog or digital circuit.
  • the device can be designed as a component of a microcontroller or interact with a microcontroller.
  • the device can additionally be designed as a programmable logic circuit and/or as a field-programmable gate array.
  • the invention relates to an inverter for an electric drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle with such a power module. This results in the advantages already described in connection with the half-bridge according to the invention, also for the power module according to the invention and the inverter according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of an inverter, with a short circuit of a semiconductor switching element being illustrated;
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of a method for detecting the short circuit.
  • the inverter includes in the greatly simplified representation two semiconductor switching elements, which together form a half-bridge.
  • a first semiconductor switching element acts as the high side, with a second semiconductor switching element acting as the low side.
  • the inverter also includes an intermediate circuit capacitor that is connected in parallel with the half-bridge.
  • the intermediate circuit capacitor has an intermediate circuit capacitance C ZK .
  • a DC voltage source eg battery
  • R BAT an internal resistance
  • a method step 101 the intermediate circuit capacitance C ZK of the intermediate circuit capacitor is determined.
  • the short-circuit resistance R SC of the inverter is determined. The two method steps 101, 102 do not necessarily have to take place in the order described, but can take place in reversed order.
  • a time constant is defined from the intermediate circuit capacitance C ZK and the short-circuit resistance R SC . The time constant is preferably defined by multiplying the intermediate circuit capacitance C ZK by the short-circuit resistance R SC .
  • an intermediate circuit voltage present at the intermediate circuit capacitor is measured.
  • a change in the measured intermediate circuit voltage is determined within the previously specified time constant in order to calculate a rate of change.
  • the rate of change is compared with a first threshold value. If the rate of change exceeds the first threshold value, a high-impedance short circuit of a semiconductor switching element is assumed. In this case, a corresponding detection signal is preferably generated.

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Abstract

Verfahren zur Detektion eines Kurzschlusses eines Halbleiterschaltelementes in einem Inverter, der zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug ausgebildet ist und mehrere Halbleiterschaltelemente umfasst, wobei die Halbleiterschaltelemente eine Highside und eine Lowside bilden, wobei die Highside und die Lowside jeweils ein oder mehrere parallel verschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen, wobei die Highside und die Lowside zu einem Zwischenkreiskondensator des Inverters parallel verschaltet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte (101 -106) umfasst: Messen einer am Zwischenkreiskondensator anfallenden Zwischenkreisspannung; Bestimmen einer Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiskondensators; Bestimmen eines Kurzschlusswiderstandes des Inverters; Festlegen einer Zeitkonstante aus der Zwischenkreiskapazität und dem Kurzschlusswiderstand, vorzugsweise durch Multiplizieren der Zwischenkreiskapazität mit dem Kurzschlusswiderstand; Ermitteln einer Änderung der gemessenen Zwischenkreisspannung innerhalb der festgelegten Zeitkonstante, um eine Änderungsgeschwindigkeit zu berechnen; Vergleichen der Änderungsgeschwindigkeit mit einem ersten Schwellenwert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines Kurzschlusses eines Halbleiterschalt- elementes in einem Inverter zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem
Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug: Inverter mit einer solchen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zu Detektion eines Kurz- schlusses eines in einem Inverter verbauten Halbleiterschaltelementes. Der Inverter dient zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hyb- ridfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung einen Inverter mit einer solchen Vorrrich- tung.
Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Ma- schinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versor- gen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespei- cher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind da- bei als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs übli- cherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Inverter geschaltet.
Derartige Inverter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischer- weise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltele- mente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, nämlich entweder als diskrete Einzelschalter mit einem geringen Integrationsgrad, jedoch hoher Skalierbar- keit, als Leistungsmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalier- barkeit, sowie als Halbbrücken, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltem und Halbbrücken rangieren. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside-Schaltposition (nachfolgend: "Highside") mit einem höheren elektrischen Potential und eine Lowside-Schaltposition (nachfolgend: "Lowside") mit einem niedri- geren elektrischen Potential. Die Highside und die Lowside können jeweils einen oder mehrere Einzelschalter/Halbleiterschaltelemente umfassen, die parallelgeschal- tet sind. Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente kann dann durch eine Strom- oder Spannungsbeaufschlagung der Halbleiterschaltelemente diese ström leitend bzw. stromsperrend geschaltet werden. Vorzugsweise werden auf diese Weise die Halb- leiterschaltelemente gemäß einer Pulsbreitenmodulation (Engi.: Pulse-Width-Modula- tion, PWM) geschaltet, um einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf der Phasenströme zu ermöglichen. Auf diese Weise kann ein eingangsseitiger Gleichstrom in einen mehrphasigen Ausgangsstrom (Wechselstrom) mit mehreren Phasenströmen umge- wandelt werden, mit dem ein Elektroantrieb (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs bzw. Hybridfahrzeugs bestromt wird.
Im Betrieb des Inverters kann es zu einem Kurzschluss eines oder mehrerer Halb- leiterschaltelemente kommen. Derartige Kurzschlüsse können zum Durchbrennen der betroffenen Halbleiterschaltelemente und somit zu einer Beeinträchtigung der Stromumwandlung des Inverters führen. Vor diesem Hintergrund sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur Detektion derartiger Kurzschlüsse bekannt. Diese bekann- ten Verfahren basieren auf der Auswertung der Durchlassspannung des Halbleiter- schaltelementes im eingeschalteten Zustand. Dies kann z.B. über eine direkte Drain- Source bzw. Kollektor-Emitter Spannungsmessung oder die sog. „Desat-Methode“ erfolgen. Überschreitet die Durchlassspannung eines der Highside oder der Lowside einer Halbbrücke zugeordneten ersten Halbleiterschaltelementes eine vorabeinge- stellte Schwelle, wird davon ausgegangen, dass ein in derselben Halbbrücke der Lowside bzw. Highside zugeordnetes, dem ersten Halbleiterschaltelement gegen- überliegendes zweites Halbleiterschaltelement (niederohmig) defekt ausgefallen ist oder dass ein weiteres Element das zweite Halbleiterschaltelement kurzschließt.
Die Detektionsschwelle ist so zu wählen, dass es im regulären Betrieb der Halbleiter- schaltelemente zu keiner fehlerhaften Kurzschlussdetektion kommt. Daher muss die
Schwelle derart eingestellt werden, um sämtliche Schwankungen der Durchlassspan- nung aufgrund Toleranzen, die durch die Schaltcharakteristik, die Betriebstemperatur und/oder die Ansteuerspannung der Halbleiterschaltelemente bedingt sind, hinrei- chend zu berücksichtigen. Diese Vorgehensweise ist jedoch nachteilig, da es bei län- gerem Betrieb es Inverters die vorabeingestellte Durchlassspannungsschwelle nicht mehr angemessen sein kann, sodass in diesem Zustand die Zerstörung der Halb- leiterschaltelemente droht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines Kurzschlusses eines in einem Inverter verbauten Halbleiterschaltelementes be- reitzustellen, bei der die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise über- wunden sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren, die Vorrichtung sowie den Inverter gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausge- staltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentan- sprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft einen Inverter zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in ei- nem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Der Inverter umfasst mehrere Halbbrücken, die jeweils einer der Stromphasen des ausgangsseitigen, mehrphasi- gen Wechselstroms entsprechen. Beispielsweise umfasst der Inverter drei Halbbrü- cken, wobei jede Halbbrücke einer zugehörigen Stromphase des dreiphasigen Aus- gangsstroms zugeordnet ist. Der Ausgangsstrom ist ein Wechselstrom, der basie- rend auf einem eingangsseitigen Gleichstrom mittels gezielter Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente erzeugt wird.
Die Halbbrücken umfassen jeweils eine Highside und eine Lowside. Die Highside und die Lowside umfassen jeweils ein oder mehrere parallel verschaltete Halbleiter- schaltelemente. Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise auf einem Substrat angebracht. Das in Frage kommende Substrat kann als DBG- (Direct Bonded Cop- per) Substrat, als DPC- (Direct Plated Copper) Substrat, als AMB- (Active Metal Bra- zing) Substrat oder als IM- (Insulated Metal) Substrat ausgebildet sein. Das Substrat ist bevorzugt rechteckig ausgebildet, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein. Das Substrat ist rückseitig, d.h. auf einer von den Halbleiterschaltelementen abgewandten Rückseite, an einen Kühlkörper angebunden, um den Halbleiterschaltelementen im Betrieb der Halbbrücke bzw. des Leistungsmoduls/des Inverters Wärme zu entziehen.
Die Highside ermöglicht den Stromfluss zwischen einem AC-Leistungsanschluss und einem DC-Plus-Leistungsanschluss. Die Lowside ermöglicht den Stromfluss zwi- schen dem AC-Leistungsanschluss und einem DC-Minus-Leistungsanschluss. Die Highside und die Lowside sind zueinander reihengeschaltet. Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente kann dann durch eine Spannungsbeaufschlagung des Sig- nalkontakts das Halbleiterschaltelement ström leitend bzw. stromsperrend geschaltet werden. Vorzugsweise werden auf diese Weise die Halbleiterschaltelemente gemäß einer Pulsbreitenmodulation (Engl.: Pulse-Width-Modulation, PWM) geschaltet, um einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf der Phasenströme zu ermöglichen.
Die Highside und die Lowside sind zu einem Zwischenkreiskondensator des Inverters parallel verschaltet. Der Zwischenkreiskondensator ist mittels einer Zuleitung an eine den elektrischen Antrieb versorgende Batterie angeschlossen. Erfindungsgemäß wird die am Zwischenkreiskondensator anfallende Spannung, die Zwischenkreisspan- nung, verwendet, um einen hochohmigen Kurzschluss eines Halbleiterschaltelemen- tes zu delektieren. In einem Verfahrensschritt wird die Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiskondensators ermittelt. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein vorbe- stimmter Wert der Zwischenkreiskapazität (etwa in Form von Herstellerdaten vorlie- gend) abgelesen wird. Alternativ kann die Zwischenkreiskapazität gemessen oder berechnet werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Kurzschlusswider- stand des Inverters bestimmt. Der Kurzschlusswiderstand ist derjenige ohm'sche Wi- derstand, der sich über ein Halbleiterschaltschaltelement im Inverter bildet, wenn das Halbleiterschaltelement kurzgeschlossen ist. Der Kurzschlusswiderstand kann auf ei- nen Wert oder einen Wertebereich abgeschätzt werden. Alternativ können vorgemes- sene Werte hierzu eingesetzt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird aus der zuvor ermittelten Zwischenkreiskapazität und dem zuvor bestimmten Kurz- schlusswiderstand eine Zeitkonstante bestimmt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die am Zwischenkreiskondensator anfallende Zwischenkreisspannung gemes- sen und eine Änderung der Zwischenkreisspannung innerhalb der zuvor bestimmten Zeitkonstante ermittelt. Auf diese Weise wird eine Änderungsgeschwindigkeit gewonnen. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Änderungsgeschwindigkeit mit einem ersten Schwellenwert verglichen. Wenn die Änderungsgeschwindigkeit den ersten Schwellenwert übertrifft, wird von einem hochohmigen Kurzschluss eines Halbleiterschaltelementes ausgegangen. Vorzugsweise wird in diesem Fall ein ent- sprechendes Detektionssignal erzeugt.
Auf diese Weise lassen sich hochohmige Kurzschlüsse im Inverter besonders ein- fach und zuverlässig erfassen. Dadurch, dass die Kurzschlussdetektion auf der Über- wachung der Zwischenkreisspannung und deren Auswertung beruht, ist eine Detek- tion von solchen Kurzschlussereignissen in Echtzeit möglich. Außerdem berücksich- tigt das erfindungsgemäße Verfahren die üblichen Größenordnungen der Zeit, mit der Belastungsänderungen im regulären Betrieb eines Inverters eingeregelt werden. Die daraus resultierende Zeitkonstante ist ideal für das Ermitteln der Änderungsge- schwindigkeit der Zwischenkreiskapazität. Eine geringere Zeitkonstante würde mehr Datenpunkte aus der Messung der Zwischenkreiskapazität erfordern, was mehr Re- chenleistung der Datenverarbeitung benötigt. Eine größere Zeitkonstante würde die Genauigkeit des Ergebnisses beeinträchtigen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zusätzlich modellbasiertes Prognostizieren einer erwarteten Änderung der Zwischenkreisspannung innerhalb der festgelegten Zeitkonstante. Vorzugsweise umfasst das Verfahren zusätzlich Ver- gleichen der prognostizierten Änderung der Zwischenkreisspannung mit der gemes- senen Änderung der Zwischenkreisspannung. Der oben erwähnte Schwellenwert, mit dem die gemessene Änderungsgeschwindigkeit verglichen wird, lässt sich auf diese Weise optimieren. Die Genauigkeit der Kurzschlussdetektion wird dadurch erhöht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zusätzlich Verglei- chen eines gemessenen Absolutwertes der Zwischenkreisspannung mit einem zwei- ten Schwellenwert. Wenn der Absolutwert der Zwischenkreisspannung den zweiten Schwellenwert überschreitet, wird von einem hochohmigen Kurzschluss eines Halb- leiterschaltelementes ausgegangen. Diese erweiterte Detektionsmöglichkeit erhöht die Zuverlässigkeit des Detektionsergebnisses. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion eines Kurzschlusses eines Halb- leiterschaltelementes in einem Inverter ist dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung kann als analoge oder digitale Schaltung ausgeführt sein. Ferner kann die Vorrichtung als Bestandteil eines Mikrokontrollers ausgeführt sein oder mit einem Mikrokontroller Zusammenwirken. Die Vorrichtung kann zusätzlich als programmierbare logische Schaltung und/oder feldprogrammier- bares Gate-Array ausgeführt sein.
Ferner betrifft die Erfindung einen Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elekt- rofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs mit einem solchen Leistungsmodul. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Halbbrücke beschriebenen Vorteile auch für das erfindungsgemäße Leistungsmodul und den er- findungsgemäßen Inverter.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Inverters, wobei ein Kurzschluss ei- nes Halbleiterschaltelementes illustriert ist;
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines Verfahrens zur Detektion des Kurz- schlusses.
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figu- renübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer techni- schen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Inverters zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug. Der Inverter umfasst in der stark vereinfachten Darstellung zwei Halbleiterschaltelemente, die zu- sammen eine Halbbrücke bilden. Ein erstes Halbleiterschaltelement fungiert als Highside, wobei ein zweites Halbleiterschaltelement als Lowside fungiert. Der Inver- ter umfasst außerdem einen Zwischenkreiskondensator, der zu der Halbbrücke pa- rallelgeschaltet ist. Der Zwischenkreiskondensator weist eine Zwischenkreiskapazität CZK auf. Eine DC-Spannungsquelle (z.B. Batterie) erzeugt eine DC-Spannung UBAT erzeugt und weist einen Innenwiderstand RBAT auf. Im gezeigten Schaltbild ist zur Il- lustration eines Kurzschlusses des ersten Halbleiterschaltelementes Letzteres durch- kreuzt. Außerdem ist ein Kurzschlusswiderstand RSC gezeigt, der beim Kurzschluss des ersten Halbleiterschaltelementes auftritt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Detektion des Kurz- schlusses. In einem Verfahrensschritt 101 wird die Zwischenkreiskapazität CZK des Zwischenkreiskondensators bestimmt. In einem weiteren Verfahrensschritt 102 wird der Kurzschlusswiderstand RSC des Inverters bestimmt. Die beiden Verfahrens- schritte 101, 102 müssen nicht zwingend in der beschriebenen Reihenfolge erfolgen, sondern können in vertauschter Reihenfolge stattfinden. In einem weiteren Verfah- rensschritt 103 wird eine Zeitkonstante aus der Zwischenkreiskapazität CZK und dem Kurzschlusswiderstand RSC festgelegt. Vorzugsweise wird die Zeitkonstante durch Multiplikation der Zwischenkreiskapazität CZK mit dem Kurzschlusswiderstand RSC festgelegt. In einem weiteren Verfahrensschritt 104 wird eine am Zwischenkreiskon- densator anliegende Zwischenkreisspannung gemessen. Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt 105 eine Änderung der gemessenen Zwischenkreisspan- nung innerhalb der zuvor festgelegten Zeitkonstante ermittelt, um eine Änderungsge- schwindigkeit zu berechnen. Schließlich wird in einem weiteren Verfahrensschritt 106 die Änderungsgeschwindigkeit mit einem ersten Schwellenwert verglichen. Wenn die Änderungsgeschwindigkeit den ersten Schwellenwert übertrifft, wird von einem hochohmigen Kurzschluss eines Halbleiterschaltelementes ausgegangen. Vorzugs- weise wird in diesem Fall ein entsprechendes Detektionssignal erzeugt. Bezugszeichen
101-106 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion eines Kurzschlusses eines Halbleiterschaltelementes in einem Inverter, der zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahr- zeug oder einem Hybridfahrzeug ausgebildet ist und mehrere Halbleiterschaltele- mente umfasst, wobei die Halbleiterschaltelemente eine Highside und eine Lowside bilden, wobei die Highside und die Lowside jeweils ein oder mehrere parallel ver- schaltete Halbleiterschaltelemente umfassen, wobei die Highside und die Lowside zu einem Zwischenkreiskondensator des Inverters parallel verschaltet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte (101-106) umfasst: - Messen einer am Zwischenkreiskondensator anfallenden Zwischenkreisspan- nung; - Bestimmen einer Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiskondensators; - Bestimmen eines Kurzschlusswiderstandes des Inverters; - Festlegen einer Zeitkonstante aus der Zwischenkreiskapazität und dem Kurz- schlusswiderstand, vorzugsweise durch Multiplizieren der Zwischenkreiskapazität mit dem Kurzschlusswiderstand; - Ermitteln einer Änderung der gemessenen Zwischenkreisspannung innerhalb der festgelegten Zeitkonstante, um eine Änderungsgeschwindigkeit zu berechnen; - Vergleichen der Änderungsgeschwindigkeit mit einem ersten Schwellenwert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren zusätzlich modellbasiertes Prognostizieren einer erwarteten Änderung der Zwischenkreisspannung innerhalb der festgelegten Zeitkonstante umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verfahren zusätzlich Vergleichen der prognostizierten Änderung der Zwischenkreisspannung mit der gemessenen Ände- rung der Zwischenkreisspannung umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren zusätzlich Vergleichen eines gemessenen Absolutwertes der Zwischenkreisspannung mit ei- nem zweiten Schwellenwert umfasst.
5. Vorrichtung zur Detektion eines Kurzschlusses eines Halbleiterschaltelementes in einem Inverter, der zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Elektro- fahrzeug oder einem Hybridfahrzeug ausgebildet ist und mehrere Halbleiterschaltele- mente umfasst, wobei die Halbleiterschaltelemente eine Highside und eine Lowside bilden, wobei die Highside und die Lowside jeweils ein oder mehrere parallel ver- schaltete Halbleiterschaltelemente umfassen, wobei die Highside und die Lowside zu einem Zwischenkreiskondensator des Inverters parallel verschaltet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung als analoge oder digitale Schaltung ausgeführt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Vorrichtung als Bestandteil ei- nes Mikrokontrollers ausgeführt ist oder mit einem Mikrokontroller zusammenwirkt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Vorrichtung als pro- grammierbare logische Schaltung und/oder feldprogrammierbares Gate-Array ausge- führt ist.
9. Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hyb- ridfahrzeugs, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8.
PCT/EP2022/072955 2021-08-19 2022-08-17 Verfahren und vorrichtung zur detektion eines kurzschlusses eines halbleiterschaltelementes in einem inverter zum bestromen eines elektrischen antriebs in einem elektrofahrzeug oder hybridfahrzeug; inverter mit einer solchen vorrichtung WO2023021087A1 (de)

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