AT523936B1

AT523936B1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines halbleiterschalters

Info

Publication number: AT523936B1
Application number: ATA51090/2020A
Authority: AT
Inventors: Winkler Michael; Fehringer Rudolf
Original assignee: Schneider Electric Power Drives Gmbh
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-01-15
Also published as: AT523936A4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalters (T2) mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber (1), der Ein- und Ausschaltsignale (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie Ausschaltsignale (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) bereitstellt. Mithilfe einer Detektionsschaltung (2) wird ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges (dISC/dt) im Leistungskreis detektiert und ein Umschaltsignal (A) an ein zwischen dem Gatetreiber (1) und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) geschaltetes Steuerelement (6) gesendet, das nach Empfang eines Umschaltsignals (A) bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal (AUS) in einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) sendet.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalters mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber, der Ein- und Ausschaltsignale in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters bereitstellt, sowie Ausschaltsignale für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus bereitstellt, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Leistungsmodul mit einem in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalter mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber, der ausgelegt ist Ein- und Ausschaltsignale in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters bereitzustellen, sowie Ausschaltsignale für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus bereitzustellen, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 4.

[0003] Halbleiterschalter mit einem Gate-Anschluss, wie zum Beispiel Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs), werden in einer Vielzahl von Automobil- und Industrieanwendungen verwendet, wie zum Beispiel in elektrischen Antrieben, Leistungsumrichter oder DC-DC- Wandler. IGBTs und MOSFETs werden auch als Leistungshalbleiter bezeichnet, und ein Zusammenbau mehrerer Leistungshalbleiter in einem Schaltkreis auch als Leistungsmodul. Ein IGBT- Leistungsmodul wäre folglich ein Zusammenbau, der zumindest einen IGBT enthält. Ein Halbleiterschalter fungiert als Schalter und kann zum schnellen Ein- und Ausschalten von Strömen in einem Leistungskreis verwendet werden.

[0004] Der Betrieb eines IGBT und eines MOSFET ist spannungsgesteuert, wobei der Betrieb auf einer Spannung basiert, die an einen Gate-Anschluss des IGBT oder MOSFET angelegt wird. Diese Spannung wird auch als Gate-Spannung bezeichnet und über einen Ansteuerkreis durch einen Gatetreiber geliefert und gesteuert. Herkömmliche Gatetreiber basieren in der Regel auf einer Spannung, die an den Gate- Anschluss mit einem strombegrenzenden Widerstand, der auch als Gate-Widerstand bezeichnet wird, angelegt wird. Ein geringer Gate-Widerstand würde zu einer schnellen Schaltgeschwindigkeit und geringem Schaltverlust führen, er kann aber auch höhere Belastungen des Halbleiterschalters etwa in Form übermäßiger Spannungsbelastungen bewirken. Diese Spanungsbelastungen treten etwa als Überspannungen im Zuge des Ausschaltvorganges auf, die beispielsweise auf parasitäre Induktivitäten im Halbleiterschalter selbst, in Bauelementen eines Spannungszwischenkreises oder auch aufgrund eines Busbars zurückzuführen sind. Diese Uberspannungen müssen unterhalb von kritischen Spannungsgrenzen des Halbleiterschalters liegen, um Beschädigungen des Halbleiterschalters zu vermeiden.

[0005] Daher muss der Gate-Widerstand entsprechend groß gewählt werden, damit beim Ausschaltvorgang der Gate-Strom reduziert und die Abschaltzeit des Halbleiterschalters dadurch erhöht wird. In der Regel werden für den Ein- und Ausschaltvorgang unterschiedliche Gate-Widerstände R verwendet, wobei der Gate- Einschaltwiderstand Ron für den Einschaltvorgang üblicherweise kleiner ist als der Gate-Ausschaltwiderstand Rorr für den Ausschaltvorgang. Auf diese Weise kann die Schaltgeschwindigkeit beim Ein- und Ausschalten getrennt voneinander gesteuert werden, wobei im ungestörten Betrieb des Halbleiterschalters beim Ausschalten ein Kompromiss zwischen Schaltverzögerung und Bauteilbelastungen einerseits sowie Schaltverlusten andererseits anzustreben ist. Zu geringe Schallgeschwindigkeiten würden die Effizienz des Leistungsmoduls reduzieren, sodass der Ansteuerkreis auch auf möglichst hohe Schallgeschwindigkeiten zu optimieren ist. Dieser Betriebsmodus wird im Folgenden auch als schneller Ein- und Ausschaltmodus bezeichnet. Dieser schnelle Ein- und Ausschaltmodus findet vor allem bei ungestörtem Betrieb des Leistungsmoduls Anwendung.

[0006] Neben dem ungestörten Betrieb des Leistungsmoduls kann es auch zu Störungszuständen kommen, beispielsweise während eines Kurzschlusszustands. In einem solchen Kurzschlusszustand kommt es zu starken Anstiegen des Stroms im Leistungskreis, die den Halbleiterschalter stark belasten und zu seiner Beschädigung führen können. Besonders kritisch ist im Kurzschlussfall das Ausschalten des Halbleiterschalters, weil sich zu den Kurzschlussströmen noch die Belastungen aufgrund des Ausschaltens addieren, wobei es zu starken Uberspannungen und einer wahrscheinlichen Beschädigung des Halbleiterschalters kommt. Daher ist es auch bekannt Gatetreiber mit Schutzschaltungen zu versehen, die zumeist anhand der Kollektor-Emitter-Spannung einen Kurzschluss im Leistungskreis delektieren und ein sofortiges Abschalten des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus veranlassen, bei dem ein langsames Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt. Dieser langsame Ausschaltmodus wird auch als „soft turn-off, STO" bezeichnet und kann etwa mithilfe eines Gate-STO-Widerstandes Rsto erfolgen, der noch größer ist als der Gate-Ausschaltwiderstand Ro, der für ein Ausschalten des Halbleiterschalters im schnellen Ausschaltmodus vorgesehen ist. Die Detektion des Kurzschlusses im Leistungskreis erfolgt beispielsweise mithilfe eines Schaltungspfades, der die Kollektor-EmitterSpannung überwacht. Dazu werden üblicherweise Widerstandsteiler und Hochspannungsdioden verwendet. Bei Detektion eines Kurzschlusses im Leistungskreis initiiert der Schaltungspfad in weiterer Folge einen langsamen Ausschaltmodus etwa durch Beschalten des Gate-Anschlusses über einen hohen Gate-STO-Widerstand Rsto. Diese Widerstandsteiler und Hochspannungsdioden stellen jedoch zusätzliche Komponenten mit entsprechendem Platzbedarf dar und bringen Verzögerungen sowie eine vergleichsweise starke Temperaturabhängigkeit ein, die beim Design des Gatetreibers zu berücksichtigen sind. Zudem zeigt sich, dass das Ansprechverhalten herkömmlicher Schutzschaltungen mitunter zu langsam ist, sodass der Gatetreiber noch ein schnelles Ausschalten des Halbleiterschalters im schnellen Ausschaltmodus veranlasst, obwohl bereits ein Kurzschluss vorliegt, der aber von der Schutzschaltung noch nicht delektiert wurde und daher auch noch kein langsames Ausschalten eingeleitet werden konnte. Der Halbleiterschalter wird in diesen Fällen durch Uberspannungen stark belastet und zumeist beschädigt.

[0007] Es besteht das Ziel der Erfindung daher darin einen Überstromschutz für Halbleiterschalter zu verwirklichen, mit dem der Halbleiterschalter zuverlässig vor Beschädigungen beispielsweise durch Abschaltüberspannungen geschützt werden kann.

[0008] Dieses Ziel wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 4 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalters mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber, der Ein- und Ausschaltsignale in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters bereitstellt, sowie Ausschaltsignale für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus bereitstellt, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus. Erfindungsgemäß wird hierbei vorgeschlagen, dass mithilfe einer Detektionsschaltung ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges im Leistungskreis detektiert wird, und bei detektierter Überschreitung eines für einen Kurzschluss charakteristischen Stromanstieges von der Detektionsschaltung ein Umschaltsignal an ein zwischen dem Gatetreiber und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters geschaltetes Steuerelement gesendet wird, das vom Gatetreiber mit den Ein- und Ausschaltsignalen in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie mit dem Ausschaltsignal in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt wird, wobei das Steuerelement nach Empfang eines Umschaltsignals bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal in einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters anlegt.

[0009] Erfindungsgemäß wird somit ein Kurzschluss als Überschreitung des Stromanstieges, also der Stromänderungen innerhalb vorgegebener Zeitintervalle, im Leistungskreis detektiert und ein Umschaltsignal für ein langsames Ausschalten des Halbleiterschalters generiert. Das Umschaltsignal wird allerdings nicht direkt an den Gate-Anschluss gesendet, sondern an ein zwischen dem Gatetreiber und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters geschaltetes Steuerele-

ment, das auch die Ein- und Ausschaltsignale des Gatetreibers erhält. Das Steuerelement koordiniert das Ausschalten des Halbleiterschalters, indem es bei Vorliegen eines Umschaltsignals der Detektionsschaltung das Ausschalten des Halbleiterschalters erst dann veranlasst, wenn das nächste Ausschaltsignal vom Gatetreiber eintrifft. Auf diese Weise wird ein Nachteil herkömmlicher Schutzschaltungen vermieden, bei denen eine Schutzschaltung in der Regel einen alternativen und mit dem Gatetreiber unkoordinierten Abschaltpfad für den Gate-Anschluss bereitstellt, wie er im obigen Beispiel durch den Schaltungspfad zur Detektion des Kurzschlusses und der Einleitung des langsamen Ausschaltens gegeben ist. Im Falle zweier alternativer und unkoordinierter Abschaltpfade kann es noch zu einem schnellen Ausschalten des Halbleiterschalters kommen, obwohl bereits ein Kurzschluss vorliegt, der aber entweder noch nicht detektiert wurde, oder der zwar detektiert wurde, aber das Signal für das langsame Ausschalten des Halbleiterschalters noch nicht gesetzt wurde. Erfindungsgemäß wird hingegen sichergestellt, dass nur ein einziger Abschaltpfad für das Ausschalten des Halbleiterschalters vorliegt, nämlich der Abschaltpfad zwischen dem Steuerelement und dem Gate-Anschluss, über den das Steuerelement das Ausschalten des Halbleiterschalters vornimmt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kurzschlussdetektion über den Stromanstieg ermöglicht dabei auch ein rascheres Ansprechverhalten der Detektionsschaltung als bei der in herkömmlicher Weise herangezogenen Messung der Kollektorspannung. Der Stromanstieg im Leistungskreis kann etwa mithilfe einer induktiven Kopplung gemessen werden, wobei ein zur Stromänderung proportionaler Spannungswert generiert wird, wie noch näher ausgeführt werden wird.

[0010] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Senden eines Umschaltsignals durch die Detektionsschaltung bei Stromänderungen im Leistungskreis während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters charakteristischen Zeitperiode unterbleibt. Diese Vorgangsweise erhöht die Stabilität und die Effizienz der erfindungsgemäßen Schutzschaltung, wie zu Anspruch 5 noch näher ausgeführt werden wird.

[0011] Anspruch 4 bezieht sich auf ein Leistungsmodul mit einem in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalter mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber, der ausgelegt ist Ein- und Ausschaltsignale in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters bereitzustellen, sowie Ausschaltsignale für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus bereitzustellen, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus. Erfindungsgemäß wird hierbei vorgeschlagen, dass eine Detektionsschaltung und ein zwischen dem Gatetreiber und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters geschaltetes und mit den Ein- und Ausschaltsignalen in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie mit den Ausschaltsignalen in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagtes Steuerelement vorgesehen sind, wobei die Detektionsschaltung ausgelegt ist ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges im Leistungskreis zu detektieren und bei delektierter Überschreitung eines für einen Kurzschluss charakteristischen Stromanstieges ein Umschaltsignal an das Steuerelement zu senden, und das Steuerelement ausgelegt ist nach Empfang eines Umschaltsignals von der Detektionsschaltung bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal in einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters anzulegen.

[0012] Um die Stabilität und Effizienz des Leistungsmoduls zu erhöhen wird ferner vorgeschlagen, dass die Detektionsschaltung eine Sensorschaltung, einen Filter und ein Auslöseschaltglied umfasst, wobei die Sensorschaltung ausgelegt ist ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges im Leistungskreis zu detektieren und ein Detektionssignal zu generieren, der Filter ausgelegt ist bei Stromänderungen im Leistungskreis während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters charakteristischen Zeitperiode die Weiterleitung eines Detektionssignal zu unterbinden, und das Auslöseschaltglied ausgelegt ist ein weitergeleitetes Detektionssignal mit einem vorgegebenen Schwellwert, der charakteristisch für das Vorliegen eines Kurzschlusses im Leistungskreis ist, zu vergleichen und bei Überschreiten des Schwellwertes das Umschaltsignal zu generieren und an das Steuerelement zu senden.

[0013] Die Sensorschaltung kann etwa als induktiv gekoppeltes Element, beispielsweise als Drossel, zur Generierung eines zur Stromänderung proportionalen und als Detektionssignal herangezogenen Spannungswertes ausgeführt sein. Die Drossel ist hierfür in der Nähe des zu messenden Stromes angeordnet, um über die Kopplungsinduktivität einen Spannungswert zu generieren, der proportional zur Stromänderung ist und als Detektionssignal herangezogen wird.

[0014] Der Betrieb von Leistungsschaltern wie IGBTs ist aber auch mit vorübergehenden und sehr kurzzeitigen Transient-Uberstrom-Zuständen verbunden, die im Zuge des Ein- und Ausschaltens des Halbleiterschalters entstehen. Während dieser Transient-Uberstrom-Zustände kann es auch zu kurzfristigen Stromspitzen kommen, die aber zu kurz sind um zu einer Schädigung des Halbleiterschalters führen zu können. Die mit diesen Transient-Uberstrom-Zuständen verbundenen Zeitperioden werden mitunter auch als „blanking time" bezeichnet und liegen im Bereich von einigen Hundert Nanosekunden. Im Rahmen der Erfindung kann die Stabilität und die Effizienz der Uberspannungsschutzschaltung verbessert werden, indem solche kurzfristigen Stromspitzen, die auf Schaltzustandsänderungen der Halbleiterschalter zurückzuführen sind, nicht berücksichtigt werden. Das wird durch die Anwendung des oben genannten Filters erreicht, der ausgelegt ist bei Stromänderungen im Leistungskreis während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters charakteristischen Zeitperiode die Weiterleitung eines Detektionssignal zu unterbinden. Bei den genannten Stromänderungen im Leistungskreis während Schaltzustandsänderungen handelt es sich um die oben erwähnten Stromspitzen in TransientUÜberstrom-Zuständen, die auf Schaltvorgänge der Halbleiterschalter zurückzuführen sind.

[0015] Das Auslöseschaltglied vergleicht ein weitergeleitetes Detektionssignal mit einem vorgegebenen Schwellwert, der charakteristisch für das Vorliegen eines Kurzschlusses im Leistungskreis ist, und generiert bei Überschreiten des Schwellwertes das Umschaltsignal und sendet das Umschaltsignal an das Steuerelement.

[0016] Das Steuerelement kann als Multiplexer ausgeführt sein, der an einem ersten Eingang mit den Ein- und Ausschaltsignalen des Gatetreibers für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus beaufschlagt ist, an einem zweiten Eingang mit dem Ausschaltsignal des Gatetreibers für einen langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt ist und an einem dritten Eingang mit dem Umschaltsignal der Detektionsschaltung beaufschlagt ist, und über einen Ausgang mit dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters verbunden ist. Falls kein Umschaltsignal am dritten Eingang des Multiplexers vorliegt, wird das Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters gemäß den empfangenen Ein- und Ausschaltsignalen des Gatetreibers am ersten Eingang des Multiplexers in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus veranlasst. Mit anderen Worten werden vom Steuerelement bei fehlendem Umschaltsignal am dritten Eingang des Multiplexers stets die Ein- und Ausschaltsignale des Gatetreibers am ersten Eingang des Multiplexers für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss durchgeleitet, und nicht das ebenfalls am zweiten Eingang des Multiplexers anliegende Ausschaltsignal des Gatetreibers für einen langsamen Ausschaltmodus. Falls hingegen ein Umschaltsignal am dritten Eingang des Multiplexers vorliegt, wird vom Steuerelement bei Empfang eines Ausschaltsignals vom Gatetreiber am ersten Eingang des Multiplexers nicht das Ausschaltsignal des Gatetreibers für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss durchgeleitet, sondern das am zweiten Eingang des Multiplexers ebenfalls anliegende Ausschaltsignal des Gatetreibers für einen langsamen Ausschaltmodus. Das Steuerelement veranlasst somit bei Vorliegen eines Umschaltsignals der Detektionsschaltung 2 am dritten Eingang des Multiplexers das Ausschalten des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus erst dann, wenn das nächste Ausschaltsignal vom Gatetreiber 1 am ersten Eingang des Multiplexers eintrifft.

[0017] Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand der beiliegenden Zeichnungen mithilfe von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen hierbei die

[0018] Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens eines Halbleiterschalters,

[0019] Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens des Halbleiterschalters T2 der Fig. 1 anhand der Kollektor-Emitter-Spannung

Uce:2 und des Kollektorstroms Ic»,

[0020] Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens eines Halbleiterschalters im Kurzschlussfall,

[0021] Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens des Halbleiterschalters T2 der Fig. 3 anhand der Kollektor-Emitter-Spannung Uce2 und des Kollektorstroms Ic2 im Kurzschlussfall für kleine Kurzschlussimpedanzen (Fig. 4a) und für sehr kleine Kurzschlussimpedanzen (Fig. 4b),

[0022] Fig. 5 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Schutzschaltung gegen Überspannungen im Kurzschussfall gemäß dem Stand der Technik,

[0023] Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer möglichen Ausfallsituation für einen Halbleiterschalter im Zuge des Ausschaltens im Kurzschlussfall bei einer Schutzschaltung gemäß dem Stand der Technik,

[0024] Fig. 7 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung gegen Uberspannungen,

[0025] Fig. 8 ein weiteres Schaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung gegen Uberspannungen, und die

[0026] Fig. 9 eine zur Fig. 6 analoge Darstellung zur Erläuterung des Ausschaltvorganges für einen Halbleiterschalter im Kurzschlussfall bei einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung zur Vermeidung einer möglichen Ausfallsituation.

[0027] Zunächst wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, wobei die Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens eines Halbleiterschalters T1, T2 zeigt, und die Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens des Halbleiterschalters T2 der Fig. 1 anhand der Kollektor-Emitter-Spannung Uc:2 und des Kollektorstroms Ic2. Das Schaltbild der Fig. 1 zeigt die Anordnung zweier Halbleiterschalter T1 und T2 als Halbbrücke, wie sie üblicherweise beispielsweise in Leistungsumrichter verwendet wird. In der gezeigten Ausführungsform sind die Halbleiterschalter T1 und T2 als IGBTs ausgeführt. Die rechte Seite des Schaltbildes der Fig. 1 zeigt den Leistungskreis mit der Zwischenkreisspannung U» und dem Laststrom Ip. Die parasitären Induktivitäten des Leistungskreises werden durch die eingezeichnete Induktivität L symbolisiert. Die linke Seite des Schaltbildes der Fig. 1 zeigt den Ansteuerkreis für den Gate-Anschluss des unteren Halbleiterschalters T2 mit der Gate-Spannung Ug und dem Gate-Einschaltwiderstand Ron für den Einschaltvorgang des unteren Halbleiterschalters T2 und dem Gate-Ausschaltwiderstand Ro für den Ausschaltvorgang, wobei der Einschaltwiderstand Ron für den Einschaltvorgang meist kleiner ist als der Gate-Ausschaltwiderstand Rofr für den Ausschaltvorgang. Freilich ist auch der obere Halbleiterschalter T1 mit einem analogen Ansteuerkreis versehen, der aber aus Gründen der Ubersichtlichkeit in der Fig. 1 nicht eingezeichnet ist. Die Gate-Spannung Use wird von einem in der Fig. 1 nicht eingezeichneten Gatetreiber 1 (siehe hierzu etwa Fig. 4 oder Fig. 7-9) erzeugt, um den unteren Halbleiterschalter T2 einzuschalten oder auszuschalten. Uber die Schaltirequenz und das Tastverhältnis kann gemeinsam mit dem oberen Halbleiterschalter T1 eine Zwischenkreisspannung Ue geformt werden, um eine in der Fig. 1 nicht gezeigte Eingangsspannung in eine andere Ausgangsspannung umzuwandeln. Auch der Schaltweg über den Gate-Einschaltwiderstand Ron für den Einschaltvorgang oder den GateAusschaltwiderstand Ro für den Ausschaltvorgang wird vom Gatetreiber 1 entsprechend ausgewählt.

[0028] In der Fig. 2 ist das Ein- und Ausschaltverhalten des Halbleiterschalters T2 der Fig. 1 anhand der Kollektor- Emitter-Spannung Uce2 und des Kollektorstroms Ic2 dargestellt. Im Zuge des Einschaltvorganges „EIN" wird eine Gate-Spannung Use an den Gate-Anschluss angelegt. Dadurch beginnt ein Kollektorstrom Ic2 zu fließen, der aufgrund der Last auf den Laststrom Ip begrenzt ist. Die Kollektor-Emitter-Spannung Uce2 fällt von einem durch die Zwischenkreisspannung U, gegebenen Wert auf ein Durchlassniveau ab. Die Fig. 2 zeigt dabei zwei Effekte, die beim realen Betrieb von IGBTs auftreten. Zum einen verursacht der Stromanstieg des Kollektor-

stroms Ic2 beim Einschalten an der parasitären Induktivität L; einen Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Spannung Uce:2 des Halbleiterschalters T2. Wird die parasitäre Induktivität Lo; nicht berücksichtigt, bleibt die Kollektor-Emitter-Spannung Uc:2 während des Stromanstiegs des Kollektorstroms Ic2 wie in der Fig. 2 strichliert angedeutet unverändert. Zum anderen tritt beim Abfall der Kollektor-Emitter-Spannung Uc:2 vom Zwischenniveau auf das Durchlassniveau eine Stromspitze im Kollektorstrom Ic2 auf, bevor der Kollektorstrom Ic» den lastbedingten Wert des Laststroms Ip einnimmt. Diese Transient-Uberstrom-Zustände sind aber zu kurz um zu einer Schädigung des Halbleiterschalters führen zu können.

[0029] Im Zuge des Ausschaltvorganges „AUS" wird die Gate-Spannung Ug auf Null oder auf negative Werte gesetzt, wodurch sich der Halbleiterschalter T2 über den Gate-Widerstand Rorfr entlädt. Der Kollektorstrom Ic2 fällt auf Null ab, und die Kollektor- Emitter-Spannung Uce2 steigt wieder auf den durch die Zwischenkreisspannung Up gegebenen Wert an. Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, treten dabei aufgrund der parasitären Induktivität L; Spannungsspitzen in Form von Überspannungen Uov auf, die proportional zur Höhe der parasitären Induktivität L; und der Stärke der Stromänderung dic»/dt des Kollektorstroms Ic2 sind. Diese Uberspannungen Uov müssen kleiner als ein kritischer Grenzwert Ucezmax für die Kollektor-Emitter-Spannung Uce: sein, andernfalls sind Beschädigungen des Halbleiterschalters T2 wahrscheinlich. Die Uberspannungen Uov können durch ein langsameres Entladen des Halbleiterschalters T2 reduziert werden, was durch einen höheren Gate-Widerstand Ro erreicht werden kann. Dadurch erhöhen sich wiederum die Schaltverluste, sodass bei der Auslegung des Halbleiterschalters T2 und seines Ansteuerkreises in herkömmlicher Weise ein Kompromiss zwischen den auftretenden Überspannungen Uov und den Schaltverlusten gefunden werden muss.

[0030] In weiterer Folge wird auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen, wobei die Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens des Halbleiterschalters T2 im Kurzschlussfall SC zeigt, und anhand der Fig. 4 das Ein- und Ausschaltverhalten des Halbleiterschalters T2 der Fig. 3 anhand der Kollektor-Emitter-Spannung Uce2 und des Kollektorstroms Ic» im Kurzschlussfall SC für kleinere parasitäre Induktivitäten (Fig. 4a) und für sehr kleine parasitäre Induktivitäten (Fig. 4b) erläutert werden soll. Im Kurzschlussfall SC fließt im Leistungskreis ein Kurzschlussstrom Isc mit einer Straomänderung dlsc/dt, die stark von der Kurzschlussinduktivität Lsc („Verdrahtungsinduktivität") abhängig ist, wie in den Fig. 4a und 4b ersichtlich ist. In der Fig. 4a ist zunächst ein Kurzschlussfall SC gezeigt, bei der der Kollektorstrom Ic2 sowie die KollektorEmitter-Spannung Uce2 aufgrund des Kurzschlusses ansteigen, der Halbleiterschalter T2 aber noch keinen Entsättigungszustand erreicht, wodurch eine auf Kollektor-Emitter-Spannungsmessung basierende Schutzschaltung noch nicht ansprechen würde. In der Fig. 4b steigt der Kollektorstrom Ic2 so stark an, dass der Halbleiterschalters T2 rasch in die Entsättigung getrieben wird und die Kollektor- Emitter-Spannung Uce2 überhaupt nicht mehr auf ihr Durchlassniveau absinkt, sondern auf einem höheren Wert verbleibt. Wird der Halbleiterschalter T2 in weiterer Folge ausgeschaltet, ergeben sich in beiden Fällen starke Uberspannungen Uov, die ohne weitere Maßnahmen oberhalb des kritischen Grenzwertes Uczmax für die Kollektor-Emitter-Spannung Ucez liegen und zu Beschädigungen des Halbleiterschalters T2 führen können.

[0031] Daher wurden Schutzschaltungen vorgeschlagen, die das Auftreten starker Überspannungen Uov, die zum Ausfall des Halbleiterschalters T2 führen können, vermeiden sollen. In der Fig. 5 ist eine mögliche Ausführung einer solchen Schutzschaltung gezeigt, wie sie im Stand der Technik vorgeschlagen wurde. Schutzschaltungen dieser Art detektieren die oben erwähnte Entsättigung („Desaturation") im Halbleiterschalter T2 durch eine Überwachung der Kollektor- Emitter-Spannung Uce». Falls bei eingeschaltetem Halbleiterschalter T2 Spannungswerte für die Kollektor- Emitter-Spannung Uc:2 gemessen werden, die deutlich oberhalb des erwarteten Durchlassniveaus liegen, wird von einer Entsättigung des Halbleiterschalters T2 und somit von einem Kurzschluss im Leistungskreis ausgegangen und ein langsames Ausschalten des Halbleiterschalters T2 veranlasst. Schutzschaltungen dieser Art werden daher auch als „Desaturation detection", „Desat-Detektion" oder „Entsättigungsüberwachung”" bezeichnet. Das langsame Ausschalten wird in der Fig. 5 als „soft turn-off" oder „STO" bezeichnet und kann etwa mithilfe eines Gate-STO-Widerstandes Rsto erfolgen, der noch größer ist als der Gate- Ausschaltwiderstand

Rorr, der für ein Ausschalten des Halbleiterschalters im schnellen Ausschaltmodus durch den Gatetreiber 1 vorgesehen ist. Wie in der Fig. 5 angedeutet ist, erfolgt die Detektion der Entsättigung beispielsweise mithilfe eines Schaltungspfades zwischen Kollektor und Emitter des Halbleiterschalters T2, der als Spannungsteiler die Kollektorspannung überwacht und in der Regel mithilfe eines Widerstandnetzwerkes und Hochspannungsdioden verwirklicht wird. Wie bereits erwähnt wurde, stellen diese Hochspannungsdioden jedoch teure Komponenten mit entsprechendem Platzbedarf dar und bringen Verzögerungen sowie eine vergleichsweise starke Temperaturabhängigkeit ein, die beim Design des Gatetreibers 1 zu berücksichtigen sind. Zudem zeigt sich, dass das Ansprechverhalten herkömmlicher Schutzschaltungen mitunter zu langsam ist, sodass es vorkommen kann, dass der Gatetreiber 1 noch ein schnelles Ausschalten des Halbleiterschalters T2 im schnellen Ausschaltmodus veranlasst, obwohl bereits ein Kurzschluss vorliegt, der aber von der Entsättigungsüberwachung noch nicht detektiert wurde und daher auch noch kein langsames Ausschalten eingeleitet werden konnte. Zudem kann es auch sein, dass zwar ein Kurzschluss vorliegt, der Halbleiterschalter T2 aber noch nicht in die Entsättigung getrieben wurde, wie in der Fig. 4a gezeigt wurde. Der Halbleiterschalter T2 wird in diesen Fällen durch Uberspannungen Uov stark belastet und zumeist beschädigt, wie auch anhand der Fig. 6 erläutert werden soll.

[0032] Die Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer möglichen Ausfallsituation für einen Halbleiterschalter T2 im Zuge des Ausschaltens im Kurzschlussfall SC bei einer Entsättigungsüberwachung gemäß dem Stand der Technik. Im Kurzschlussfall SC steigen nach dem Einschalten des Halbleiterschalters T2 (siehe „EIN" im untersten Bild „Schaltzustand T2" der Fig. 6) der Kollektorstrom Ic2 (oberstes Bild der Fig. 6) sowie die Kollektor-Emitter-Spannung Uce, (zweites Bild der Fig. 6) aufgrund des Kurzschlusses analog zur Fig. 4a an, der Halbleiterschalter T2 erreicht aber noch keinen Entsättigungszustand. Die Entsättigungsüberwachung spricht daher noch nicht an, wie im dritten Bild der Fig. 6 („Desat Det.") gezeigt ist, sodass auch der langsame Ausschaltmodus noch nicht veranlasst wird (siehe „STO" im vierten Bild der Fig. 6). Wird der Halbleiterschalter T2 in diesem Zeitbereich ausgeschaltet (siehe „AUS" im untersten Bild der Fig. 6), ergibt sich eine starke Uberspannung Uov, die oberhalb des kritischen Grenzwertes Ucemax für die Kollektor- Emitter-Spannung Uce: liegt und zu Beschädigungen des Halbleiterschalters T2 führen kann, wie im zweiten Bild der Fig. 6 durch den Pfeil angedeutet ist.

[0033] Daher wird erfindungsgemäß eine verbessere Schutzschaltung für den Kurzschlussfall SC vorgeschlagen, wie in weiterer Folge anhand der Fig. 7-9 erläutert werden soll. Die Fig. 7 und 8 zeigen dabei eine Schaltung eines Leistungsmoduls mit einem in einem Leistungskreis angeordneten oberen Halbleiterschalter TI und einem unteren Halbleiterschalter T2 mit jeweils einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber 1, der in den Fig. 7 und 8 nur für den unteren Halbleiterschalter T2 eingezeichnet ist. Der Gatetreiber 1 stellt Ein- und Ausschaltsignale EIN/AUS für den Gate- Anschluss in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus und Ausschaltsignale STO in einem langsamen Ausschaltmodus für ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters T2 als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus bereit. Des Weiteren ist eine Detektionsschaltung 2 und ein zwischen dem Gatetreiber 1 und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters T2 geschaltetes Steuerelement 6 vorgesehen, das mit den Ein- und Ausschaltsignalen EIN/AUS des Gatetreibers 1 in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus und mit dem Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt wird. Die Detektionsschaltung 2 umfasst eine Sensorschaltung 3, einen Filter 4 und ein Auslöseschaltglied 5, wobei die Sensorschaltung 3 Stromänderungen dl/dt im Leistungskreis detektiert und ein Detektionssignal D generiert. Die Sensorschaltung 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mithilfe induktiver Kopplung, die in der Nähe des zu messenden Stromes angeordnet ist, verwirklicht, um über die Kopplungsinduktivität einen Spannungswert zu generieren, der proportional zur Stromänderung di/dt ist und als Detektionssignal D herangezogen wird. Das Detektionssignal D der Sensorschaltung 3 wird als rohes Detektionssignal D+- einem Filter 4 zugeführt, der rohe Detektionssignale D-, die während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters T2 charakteristischen Zeitperiode stattfinden und auf Schaltzustandsänderungen der Halbleiterschalter T1, T2 zurückzuführen sind, unterdrückt und nur gefilterte Detektionssignale D» für Stromänderungen dise/dt im Leistungskreis, die nicht auf Schaltzustandsänderungen der Halbleiter-

schalter T1, T2 zurückzuführen sind, an das Auslöseschaltglied 5 weiterleitet. Wie bereits erwähnt wurde ist der Betrieb der Halbleiterschalter T1, T2 mit vorübergehenden Transient-UberstromZuständen verbunden, die im Zuge des Ein- und Ausschaltens der Halbleiterschalter T1, T2 entstehen. Die Zeitperioden dieser Transient-Uberstrom- Zustände sind aber sehr kurz und liegen etwa im Bereich von 100-500ns. Der Filter 4 ist so konfiguriert, dass er Stromänderungen dl/dt, die sich innerhalb einer solchen kurzen Zeitperiode vollziehen, vernachlässigt und nur Stromänderungen disc/at, die innerhalb einer zumindest doppelt so langen Zeitperiode auftreten, berücksichtigt. Auf diese Weise können die Stabilität und die Effizienz der Schutzschaltung sehr verbessert werden.

[0034] Die solchermaßen gefilterten Detektionssignale D2 für Stromänderungen dIsc/dt im Leistungskreis, die nicht auf Schaltzustandsänderungen der Halbleiterschalter T1, T2 zurückzuführen sind, werden an das Auslöseschaltglied 5 weitergeleitet. Das Auslöseschaltglied 5 vergleicht das gefilterte Detektionssignal D» mit einem vorgegebenen Schwellwert, der charakteristisch für das Vorliegen eines Kurzschlusses im Leistungskreis ist. Falls der Schwellwert überschritten wird, erfolgt eine Generierung eines Umschaltsignals A, das an das Steuerelement 6 gesendet wird. Falls der Schwellwert nicht überschritten wird, erfolgt keine Generierung eines solchen Umschaltsignals A.

[0035] Das Umschaltsignal A wird somit nicht direkt an den Gate- Anschluss des Halbleiterschalters T2 gesendet, sondern an das zwischen dem Gatetreiber 1 und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters T2 geschaltete Steuerelement 6, das auch die Ein- und Ausschaltsignale EIN/AUS des Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus und das Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen langsamen Ausschaltmodus erhält. Das Steuerelement 6 koordiniert das Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters T2 nun wie folgt:

[0036] Falls kein Umschaltsignal A vorliegt, wird das Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters T2 gemäß den empfangenen Ein- und Ausschaltsignalen EIN/AUS des Gatetreibers 1 in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus veranlasst. Mit anderen Worten werden vom Steuerelement 6 bei fehlendem Umschaltsignal A stets die Ein- und Ausschaltsignale EIN/AUS des Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss durchgeleitet, und nicht das ebenfalls anliegende Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen langsamen Ausschaltmodus. Falls hingegen ein Umschaltsignal A vorliegt, wird vom Steuerelement 6 bei Empfang eines Ausschaltsignals AUS vom Gatetreiber 1 nicht das Ausschaltsignal AUS des Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss durchgeleitet, sondern das ebenfalls anliegende Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen langsamen Ausschaltmodus. Das Steuerelement 6 veranlasst somit bei Vorliegen eines Umschaltsignals A der Detektionsschaltung 2 das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 in einem langsamen Ausschaltmodus erst dann, wenn das nächste Ausschaltsignal AUS vom Gatetreiber 1 eintrifft.

[0037] Das Steuerelement kann hierfür beispielsweise als Multiplexer ausgeführt sein, der an einem ersten Eingang mit den Ein- und Ausschaltsignalen EIN/AUS des Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus beaufschlagt ist, an einem zweiten Eingang mit dem Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen langsamen Ausschaltmodus und an einem dritten Eingang mit dem Umschaltsignal A der Detektionsschaltung 2. Der Multiplexer weist ferner einen Ausgang auf, mit dem er mit dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters T2 verbunden ist.

[0038] Auf diese Weise wird ein Nachteil herkömmlicher Schutzschaltungen vermieden, bei denen eine Schutzschaltung in der Regel einen alternativen Abschaltpfad für den Gate- Anschluss bereitstellt. Im Falle zweier alternativer und unkoordinierter Abschaltpfade kann es noch zu einem schnellen Ausschalten des Halbleiterschalters T2 kommen, obwohl bereits ein Kurzschluss vorliegt, der aber entweder noch nicht detektiert wurde, oder der zwar detektiert wurde, aber das Signal für das langsame Ausschalten des Halbleiterschalters T2 noch nicht gesetzt wurde. Erfindungsgemäß wird hingegen sichergestellt, dass nur ein einziger Abschaltpfad für das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 vorliegt, nämlich der Abschaltpfad zwischen dem Steuerelement 6 und dem Gate- Anschluss, über den das Steuerelement 6 das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 koordiniert. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kurzschlussdetektion über den Strom-

anstieg dIsc/dt ermöglicht dabei auch ein rascheres Ansprechverhalten der Detektionsschaltung als bei der in herkömmlicher Weise herangezogenen Messung der Kollektorspannung.

[0039] Anhand der Fig. 9 wird erläutert, wie mithilfe der erfindungsgemäßen Schutzschaltung mögliche Ausfallsituationen für einen Halbleiterschalter T2 im Zuge des Ausschaltens im Kurzschlussfall SC vermieden werden. Im Kurzschlussfall SC steigen nach dem Einschalten des Halbleiterschalters T2 (siehe „EIN" im untersten Bild „Schaltzustand T2" der Fig. 9) der Kollektorstrom Ic (oberstes Bild der Fig. 9) sowie die Kollektor-Emitter-Spannung Uce: (zweites Bild der Fig. 9) des leitenden Schalters aufgrund des Kurzschlusses analog zur Fig. 6 an. Die Schutzschaltung spricht aufgrund des Filters 4 zunächst noch nicht an, wie anhand des Umschaltsignals A im dritten Bild der Fig. 9 gezeigt ist, sodass auch der langsame Ausschaltmodus noch nicht veranlasst wird (siehe „STO" im vierten Bild der Fig. 9). Im Unterschied zur herkömmlichen Entsättigungsüberwachung ist aber das Vorliegen einer Entsättigung des Halbleiterschalters T2 keine Voraussetzung für das Ansprechen der Schutzschaltung mehr. Stattdessen spricht die Detektionsschaltung 2 bereits früher an, nämlich wenn die anhand des gefilterten Detektionssignals D2 detektierten Stromänderungen disc/dt im Leistungskreis den vorgegebenen Schwellwert überschritten haben. Das Auslöseschaltglied 5 generiert in diesem Fall ein Umschaltsignal A (siehe „A" im dritten Bild der Fig. 9) und sendet es an das Steuerelement 6, das aber noch kein Ausschalten des Halbleiterschalters T2 in einem langsamen Ausschaltmodus veranlasst (vgl. Bild 2 der Fig. 9). Der langsame Ausschaltmodus wurde aber gewissermaßen bereits vorbereitet, wie Bild 4 („STO") der Fig. 9 illustrieren soll.

[0040] Bei Empfang eines Ausschaltsignals AUS vom Gatetreiber 1 (siehe „AUS" im untersten Bild der Fig. 6) wird vom Steuerelement 6 nun aufgrund des Vorliegens des Umschaltsignals A nicht das Ausschaltsignal AUS des Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss durchgeleitet, sondern das ebenfalls anliegende Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen langsamen Ausschaltmodus. Das Steuerelement 6 veranlasst somit das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 in einem langsamen Ausschaltmodus, sodass Überspannungen Uov, die oberhalb des kritischen Grenzwertes Ucemax für die Kollektor-Emitter-Spannung Uce2 liegen würden und zu Beschädigungen des Halbleiterschalters T2 führen könnten, vermieden werden (siehe zweites Bild der Fig. 9 „Uce2") .

[0041] Mithilfe der Erfindung wird somit ein Überspannungsschutz für Halbleiterschalter T1, T2 verwirklicht, mit dem die Halbleiterschalter T1, T2 zuverlässig vor Beschädigungen durch Kurzschlüsse geschützt werden können.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Steuern eines in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalters (T2) mit einem Gate- Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber (1), der Ein- und Ausschaltsignale (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate- Anschluss des Halbleiterschalters (T2) bereitstellt, sowie Ausschaltsignale (STO) für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) in einem langsamen Ausschaltmodus bereitstellt, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters (T2) erfolgt als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe einer Detektionsschaltung (2) ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges (dIsc/dt) im Leistungskreis detektiert wird, und bei detektierter Überschreitung eines für einen Kurzschluss charakteristischen Stromanstieges (dIse/dt) von der Detektionsschaltung (2) ein Umschaltsignal (A) an ein zwischen dem Gatetreiber (1) und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) geschaltetes Steuerelement (6) gesendet wird, das vom Gatetreiber (1) mit den Ein- und Ausschaltsignalen (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie mit dem Ausschaltsignal (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt wird, wobei das Steuerelement (6) nach Empfang eines Umschaltsignals (A) bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal (AUS) in einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) anlegt.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Senden eines Umschaltsignals (A) durch die Detektionsschaltung (2) bei Stromänderungen (dl/dt) im Leistungskreis während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters (T2) charakteristischen Zeitperiode unterbleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromanstieg (dl/dt) im Leistungskreis mithilfe induktiver Kopplung gemessen wird, die einen zur Stromänderung (dl/dt) proportionalen Spannungswert generiert.

4. Leistungsmodul mit einem in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalter (T2) mit einem Gate- Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber (1), der ausgelegt ist Ein- und Ausschaltsignale (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) bereitzustellen, sowie Ausschaltsignale (STO) für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) in einem langsamen Ausschaltmodus bereitzustellen, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters (T2) erfolgt als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionsschaltung (2) und ein zwischen dem Gatetreiber (1) und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) geschaltetes und mit den Ein- und Ausschaltsignalen (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie mit den Ausschaltsignalen (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagtes Steuerelement (6) vorgesehen sind, wobei die Detektionsschaltung (2) ausgelegt ist ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges (dlsc/dt) im Leistungskreis zu detektieren und bei detektierter Überschreitung eines für einen Kurzschluss charakteristischen Stromanstieges (dIsc/dt) ein Umschaltsignal (A) an das Steuerelement (6) zu senden, und das Steuerelement (6) ausgelegt ist nach Empfang eines Umschaltsignals (A) von der Detektionsschaltung (2) bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal (AUS) in einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) anzulegen.

5. Leistungsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschaltung (2) eine Sensorschaltung (3), einen Filter (4) und ein Auslöseschaltglied (5) umfasst, wobei die Sensorschaltung (3) ausgelegt ist ein für einen Kurzschluss charakteristisches Uberschreiten des Stromanstieges (dIsc/dt) im Leistungskreis zu detektieren und ein Detektionssignal (D) zu generieren, der Filter (4) ausgelegt ist bei Stromänderungen (d!/dt) im Leistungskreis während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters (T2) charakteristischen Zeitperiode die Weiterleitung eines Detektionssignal (D) zu unterbinden, und

das Auslöseschaltglied (5) ausgelegt ist das weitergeleitete Detektionssignal (D) mit einem vorgegebenen Schwellwert, der charakteristisch für das Vorliegen eines Kurzschlusses im Leistungskreis ist, zu vergleichen und bei Überschreiten des Schwellwertes das Umschaltsignal (A) zu generieren und an das Steuerelement (6) zu senden.

6. Leistungsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschaltung (3) als induktiv gekoppeltes Element zur Generierung eines zur Stromänderung (dl/dt) proportionalen und als Detektionssignal (D) herangezogenen Spannungswertes ausgeführt ist.

7. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (6) als Multiplexer ausgeführt ist, der an einem ersten Eingang mit den Einund Ausschaltsignalen (EIN/AUS) des Gatetreibers (1) für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus beaufschlagt ist, an einem zweiten Eingang mit dem Ausschaltsignal (STO) des Gatetreibers (1) für einen langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt ist und an einem dritten Eingang mit dem Umschaltsignal (A) der Detektionsschaltung (2) beaufschlagt ist, und über einen Ausgang mit dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) verbunden ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen