DE102015220268A1

DE102015220268A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul

Info

Publication number: DE102015220268A1
Application number: DE102015220268.2A
Authority: DE
Inventors: Jiahang Jin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-04-20

Abstract

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Detektion von Fehlfunktionen in einem Halbleiterschaltmodul mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen. Hierzu wird basierend auf einer bekannten Anzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen ein zu erwartender Sollwert durch eines der Halbleiter-Schaltelemente berechnet. Dieser berechnete Sollwert für den elektrischen Strom durch eines der Halbleiter-Schaltelemente wird mit einem entsprechenden Messwert für den elektrischen Strom in einem Halbleiter-Schaltelement verglichen. Basierend auf einer Abweichung zwischen dem gemessenen Strom durch ein Halbleiter-Schaltelement und dem berechneten Sollwert kann eine Fehlfunktion in den vorhandenen Halbleiter-Schaltelementen des Halbleiterschaltmoduls detektiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul mit einer Mehrzahl von parallel angeordneten Halbleiter-Schaltelementen. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Stromrichtervorrichtung mit einer Fehlfunktionsdetektion.
Stand der Technik
In elektrischen Antriebssystemen mit einer Drehstrommaschine werden beispielsweise Wechselrichter eingesetzt, um einen von einer Gleichspannungsquelle bereitgestellten Gleichstrom in einem Drehstrom zu konvertieren. Die dabei in dem Wechselrichter verwendeten Schaltelemente umfassen beispielsweise Halbleiter-Schaltelemente, wie zum Beispiel bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT). Für das Schalten großer Leistungen können dabei mehrere Einzel-IGBT zu einem so genannten IGBT-Modul zusammengefasst werden.
Derartige IGBT-Module können mit einem Temperatursensor versehen werden. Durch Überwachung der Temperatur eines IGBT-Moduls kann eine Überlast oder ein Überhitzen des IGBT-Moduls detektiert werden.
Die deutsche Patentanmeldung DE 19918966 A1 offenbart ein Verfahren zur Überstromabschaltung eines IGBT. Der IGBT wird mittels einer Gateelektrodentreiberstufe angesteuert, die zwischen Gateelektrode und Kathode eine Gate-Kathodenspannung anlegt. Diese Gate-Kathodenspannung wird auf einen einstellbaren Schwellwert hin überwacht. Bei Überschreiten des Schwellwerts wird die Gate-Kathodenspannung auf einen einstellbaren Wert reduziert.
Da eine Überlastung bzw. Überhitzung von Halbleiterschaltern, wie zum Beispiel eines IGBT, ein nicht zu vernachlässigendes Gefahrenpotential darstellt, besteht ein Bedarf nach einer zuverlässigen Detektion von Fehlfunktionen in einem Halbleiterschaltmodul. Insbesondere besteht ein Bedarf für das Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung schafft hierzu eine Vorrichtung zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen. Dabei sind mindestens zwei Halbleiter-Schaltelemente parallel geschaltet. Die Vorrichtung umfasst einen Summenstromdetektor, einen Einzelstromdetektor sowie eine Rechenvorrichtung. Der Summenstromdetektor ist dazu ausgelegt, ein zu einem von dem Halbleiterschaltmodul ausgegebenen elektrischen Strom korrespondierendes erstes Ausgangssignal bereitzustellen. Der Einzelstromdetektor ist dazu ausgelegt, ein Eingangssignal zu empfangen, das zu einem Strom durch eines der Halbleiter-Schaltelemente des Halbleiterschaltmoduls korrespondiert. Basierend auf diesem empfangenen Eingangssignal ist der Einzelstromdetektor ferner dazu ausgelegt, ein zu dem empfangenen Eingangssignal proportionales zweites Ausgangssignal bereitzustellen. Die Rechenvorrichtung ist dazu ausgelegt, das von dem Summenstromdetektor bereitgestellte erste Ausgangssignal und das von dem Einzelstromdetektor bereitgestellte zweite Ausgangssignal zu empfangen. Ferner ist die Rechenvorrichtung dazu ausgelegt, basierend auf dem empfangenen ersten Ausgangssignal von dem Summenstromdetektor einen Einzelstrom-Sollwert zu berechnen. Wenn das empfangene zweite Ausgangssignal von dem Einzelstromdetektor um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert von dem berechneten Einzelstrom-Sollwert abweicht, wird daraufhin eine Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltmodul detektiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8.
Gemäß diesem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen. Dabei sind mindestens zwei Halbleiter-Schaltelemente parallel geschaltet. Das Verfahren umfasst die Schritte des Detektierens eines von dem gesamten Halbleiterschaltmodul ausgegebenen elektrischen Summenstroms; und des Erfassens eines Einzelstromwerts, wobei der Einzelstromwert zu einem elektrischen Strom korrespondiert, der durch eines der Halbleiter-Schaltelemente des Halbleiterschaltmoduls fließt. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Berechnens eines Einzelstrom-Sollwerts basierend auf dem detektierten Summenstrom; und des Bestimmens einer Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltmodul, wenn der erfasste Einzelstromwert von dem berechneten Einzelstrom-Sollwert um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert abweicht.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei einer bekannten Anzahl von Halbleiter-Schaltelementen in einem Halbleiterschaltmodul einen theoretischen Sollwert für den Strom durch jedes der Halbleiter-Schaltelemente zu berechnen und diesen theoretischen Sollwert mit dem ermittelten tatsächlichen Stromwert durch eines der Halbleiter-Schaltelemente zu vergleichen. Bei einem vollfunktionsfähigen Halbleiterschaltmodul wird sich dabei der Strom durch jedes der Halbleiter-Schaltelemente in dem Halbleiterschaltmodul zumindest annähernd gleich verteilen. Liegt dagegen eine Fehlfunktion innerhalb des Halbleiterschaltmoduls vor, so wird sich der elektrische Strom nicht gleichmäßig auf alle Halbleiter-Schaltelemente verteilen. In diesem Fall, also bei einer Fehlfunktion, weicht der tatsächliche Strom auch durch das Halbleiter-Schaltelement ab, dessen Strom überwacht wird. Kann beispielsweise kein elektrischer Strom durch eines der nicht überwachten Halbleiter-Schaltelemente fließen, so muss sich dieser elektrische Strom auf die verbleibenden Halbleiter-Schaltelemente verteilen. In diesem Fall wird folglich auch der elektrische Strom durch das überwachte Halbleiter-Schaltelement ansteigen. Liegt dagegen eine Fehlfunktion in dem überwachten Halbleiter-Schaltelement vor, so kann unmittelbar eine Änderung des elektrischen Stroms in diesem Halbleiter-Schaltelement detektiert werden. Somit kann anhand des Vergleichs von dem ermittelten Einzelstrom durch das überwachte Halbleiter-Schaltelement mit dem berechneten theoretischen Sollwert eine mögliche Fehlfunktion innerhalb des Halbleiter-Schaltelements zuverlässig detektiert werden.
Eine derartige Fehlfunktionsdetektion durch den Vergleich von tatsächlichem Strom durch eines der Halbleiter-Schaltelemente mit einem ermittelten Sollwert ermöglicht dabei eine schnelle und zuverlässige Detektion von Fehlfunktionen, ohne hierbei alle Halbleiter-Schaltelemente einzeln überwachen zu müssen. Im Vergleich zu einer Überwachung eines Halbleiterschaltmoduls mit einem Temperatursensor kann durch die erfindungsgemäße Überwachung eine Fehlfunktion unmittelbar nach Auftreten eines Fehlers in dem Halbleiterschaltmodul erkannt werden, also bereits bevor die Temperatur in dem Halbleiterschaltmodul ansteigt und es zu einer Überhitzung des Halbleiterschaltmoduls kommt. Auf diese Weise können weitere Beschädigungen aufgrund von Überhitzung oder ähnlichem vermieden werden.
Darüber hinaus kann durch den Vergleich von elektrischem Strom in einem Halbleiter-Schaltelement mit einem ermittelten Sollwert auch dann eine Fehlfunktion zuverlässig detektiert werden, wenn aufgrund von einer starken Kühlung des Halbleiterschaltmoduls die Temperatur nicht oder nur sehr langsam ansteigen würde.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Detektion von Fehlfunktionen auch nicht abhängig von individuellen Parametern eines Temperatursensors, die gegebenenfalls je nach Positionierung des Temperatursensors und dessen Kalibrierung zu einer verzögerten oder gegebenenfalls auch zu einer zu frühen Abschaltung des Systems führen könnten.
Da in der Regel der Ausgangsstrom des Halbleiterschaltmoduls für weitere Steuer- oder Regelzwecke bereits erfasst wird, ist die erfindungsgemäße Detektion einer Fehlfunktion in dem Halbleiter-Schaltelement auch ohne großen Aufwand und besonders kostengünstig realisierbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Einzelstromdetektor einen Widerstand und einen Spannungssensor. Der Spannungssensor des Einzelstromdetektors ist dazu ausgelegt, einen Spannungsabfall über dem Widerstand zu erfassen. Insbesondere kann der Spannungssensor dazu ausgelegt sein, den Spannungsabfall über dem Widerstand beispielsweise periodisch in vorbestimmten Zeitintervallen zu erfassen. Auf diese Weise ist eine einfache und effiziente Erfassung des Einzelstroms durch eines der Halbleiter-Schaltelemente möglich. Insbesondere kann die Abtastung des Spannungsabfalls über dem Widerstand basierend auf den Betriebsbedingungen des Halbleiterschaltmoduls angepasst werden. Beispielsweise ist eine Anpassung der Abtastrate in Abhängigkeit des detektierten Gesamtstroms oder auch weiterer Parameter, wie zum Beispiel eine Abhängigkeit von einem Steuersignal an dem Halbleiter-Schaltelement möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Rechenvorrichtung dazu ausgelegt, nur eine Detektion für eine Fehlfunktion auszuführen, wenn das von dem Summenstromdetektor bereitgestellte erste Ausgangssignal größer ist als ein vorgegebener unterer Summenstromgrenzwert. Liegt der von dem gesamten Halbleiterschaltmodul ausgegebene Gesamtstrom unterhalb eines vorgegebenen Summenstromgrenzwerts, so kann dagegen davon ausgegangen werden, dass dieser geringe Gesamtstrom grundsätzlich nicht zu einer Überlastung des Halbleiterschaltmoduls führen kann und somit ein gefährlicher Betriebszustand ausgeschlossen ist. Auf diese Weise kann die Verfügbarkeit eines solchen Systems weiter gesteigert werden, da eine Abschaltung bei geringen Gesamtströmen von vorne herein ausgeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Rechenvorrichtung dazu ausgelegt, einen ersten Fehler zu detektieren, wenn das empfangene zweite Ausgangssignal von dem Einzelstromdetektor um mehr als einen oberen Sollwert größer ist als der berechnete Einzelstrom-Sollwert. Überschreitet das zweite Ausgangssignal von dem Einzelstromdetektor diesen ersten Sollwert, so fließt durch das überwachte Halbleiter-Schaltelement ein Strom, der größer ist als der zu erwartende Einzelstrom durch ein Halbleiter-Schaltelement. Somit kann zum Beispiel davon ausgegangen werden, dass eines der nicht überwachten Halbleiter-Schaltelemente fehlerhaft ist und kein oder ein nur unzureichender elektrischer Strom durch das entsprechende Schaltelement fließt.
Weiterhin kann die Rechenvorrichtung dazu ausgelegt sein, einen zweiten Fehler zu detektieren, wenn das empfangene zweite Ausgangssignal von dem Einzelstromdetektor um mehr als einen zweiten Sollwert kleiner ist als der berechnete Einzelstrom-Sollwert. In diesem Fall fließt über mindestens eines der weiteren Halbleiter-Schaltelemente ein elektrischer Strom, der größer ist als der zu erwartende Einzelstrom durch jedes der Halbleiter-Schaltelemente. Daher kann durch eine derartige Detektion ein entsprechender Fehler diagnostiziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul wird der Einzelstrom-Sollwert basierend auf einer Anzahl der parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelemente berechnet. Ferner kann der Einzelstrom-Sollwert auch basierend auf einer Übertragungsfunktion für das Erfassen der Einzelstromwerte berechnet werden. Diese Übertragungsfunktion spezifiziert den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Strom durch das zu überwachende Halbleiter-Schaltelement und dem dazu korrespondierenden Signal, das als Eingangssignal von dem Einzelstromdetektor empfangen wird. Im Falle eines Transistors mit einem Sense-Anschluss spezifiziert diese Übertragungsfunktion beispielsweise das Übertragungsverhältnis zwischen Emitterstrom und Sense-Strom. Im einfachsten Fall ist die Übertragungsfunkton zwischen Sense-Strom und Emitter-Strom zumindest annähernd eine Konstante.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Stromrichtervorrichtung mit einem Halbleiterschaltmodul und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen einer Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltmodul. Das Halbleiterschaltmodul kann dabei eine Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen umfassen. Insbesondere umfasst ein solches Halbleiterschaltmodul mindestens zwei parallel geschaltete Halbleiter-Schaltelemente.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Halbleiterschaltmodul eine Mehrzahl parallel geschalteter Elemente mit bipolaren Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT-Elemente).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst mindestens eines der Halbleiter-Schaltelemente einen IGBT mit einem Sense-Anschluss. Der Sense-Anschluss dieses IGBT ist dabei mit dem Einzelstromdetektor gekoppelt. Auf diese Weise kann der Ausgangsstrom des Sense-Anschluss des IGBT als Eingangssignal dem Einzelstromdetektor zur Verfügung gestellt werden.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Dabei zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer Stromrichtervorrichtung mit einer Vorrichtung zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul;
2: eine schematische Darstellung einer Stromrichtervorrichtung mit einer Vorrichtung zum Erkennen einer Fehlfunktion gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms wie es einem Verfahren zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiter-Schaltelement zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer Stromrichtervorrichtung mit einer Vorrichtung 2 zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul 1. Das Halbleiterschaltmodul 1 umfasst mehrere parallel geschaltete Halbleiter-Schaltelemente 11, 12. Die hier gewählte Anzahl von zwei Halbleiter-Schaltelementen 11, 12 dient dabei nur dem besseren Verständnis und stellt keine Beschränkung der Erfindung dar. Darüber hinaus können auch mehr als zwei Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 parallel geschaltet werden. Beispielsweise können drei, vier, fünf oder auch mehr Halbleiter-Schaltelemente parallel geschaltet werden. Unter einer Parallelschaltung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Eingänge 11b und 12b der Halbleiter-Schaltelemente 11 und 12 mit einem gemeinsamen Knotenpunkt gekoppelt sind, und darüber hinaus auch die Ausgänge 11c und 12c der Halbleiter-Schaltelemente 11 und 12 mit einem weiteren Knotenpunkt elektrisch gekoppelt sind. Die Steueranschlüsse 11d und 12d der Halbleiter-Schaltelemente 11 und 12 können darüber hinaus auch von einem gemeinsamen Steuersignal angesteuert werden. Mindestens ein Halbleiter-Schaltelement 11 weist darüber hinaus einen Detektoranschluss 11a auf. An diesem Detektoranschluss 11a kann von dem Halbleiter-Schaltelement 11 ein Detektorsignal bereitgestellt werden, das zu dem elektrischen Strom an Ausgangsanschluss 11c des Halbleiter-Schaltelements 11 korrespondiert.
Beispielsweise kann es sich bei den Halbleiter-Schaltelementen 11 und 12 um bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) handeln. Ein Halbleiterschaltmodul 1 kann in diesem Fall mehrere solche IGBT-Chips umfassen. Derartige IGBT-Chips werden über ein Steuersignal an einem Gateanschluss angesteuert. Basierend auf diesem Steuersignal an dem Gateanschluss leitet oder sperrt der IGBT-Chip die elektrische Verbindung zwischen einem Kollektor und einem Emitter. Zur Überwachung des elektrischen Stroms zwischen dem Kollektor und dem Emitter kann der IGBT-Chip in diesem Fall beispielsweise einen sogenannten Sense-Anschluss umfassen. An diesem Sense-Anschluss kann der IGBT-Chip einen elektrischen Strom bereitstellen, dessen Größe zu dem elektrischen Strom am Emitteranschluss korrespondiert. Der elektrische Strom am Sense-Anschluss ist dabei jedoch deutlich geringer als der elektrische Strom am Emitteranschluss. Bei einem bekannten Übertragungsverhältnis zwischen Emitterstrom und resultierendem Sense-Strom kann somit aus dem Sense-Strom auf den Emitterstrom geschlossen werden.
Die Ausgänge 11c und 12c der Halbleiter-Schaltelemente 11 und 12 sind, wie bereits oben beschrieben, elektrisch miteinander gekoppelt. Somit wird am Ausgang 13 des Halbleiterschaltmoduls 1 die Summe aller elektrischen Ströme durch die einzelnen Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 ausgegeben. Dieser elektrische Strom am Ausgang 13 des Halbleiterschaltmoduls 1 kann durch einen Summenstromdetektor 22 überwacht werden. Der Summenstromdetektor 22 erfasst dabei den gesamten elektrischen Strom am Ausgang 13 des Halbleiterschaltmoduls und stellt daraufhin ein Ausgangssignal bereit, dessen Wert zu dem erfassten Strom am Ausgang 13 des Halbleiterschaltmoduls 1 korrespondiert. Dabei ist grundsätzlich jede Form eines Ausgangssignals möglich, das dazu geeignet ist, eine korrespondierende Größe zu dem Strom am Ausgang 13 des Halbleiterschaltmoduls 1 bereitzustellen. Beispielsweise kann es sich um einen elektrischen Strom handeln, dessen Größe zu dem detektierten elektrischen Strom korrespondiert. Alternativ kann es sich auch um einen analogen Spannungswert handeln, dessen Größe zu dem detektierten Stromwert korrespondiert. Ferner ist es auch möglich, eine weitere analoge oder digitale Größe bereitzustellen, die zu dem erfassten elektrischen Strom am Ausgang 13 des Halbleiterschaltmoduls 1 korrespondiert. Das Ausgangssignal des Summenstromdetektors 22 wird daraufhin an einer Rechenvorrichtung 23 bereitgestellt.
Das Halbleiterschaltmodul 1 umfasst mindestens ein Halbleiter-Schaltelement 11, dessen elektrischer Strom am Ausgangsanschluss 11c des Halbleiter-Schaltelements 11 überwacht werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um ein zuvor beschriebenes IGBT-Schaltelement mit einem Sense-Anschluss handeln. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige weitere Schaltelemente möglich, die es ermöglichen, ein Ausgangssignal bereitzustellen, dessen Größe zu dem elektrischen Strom am Ausgangsanschluss 11c korrespondiert.
Das von dem Halbleiter-Schaltelement 11 ausgegebene Signal, dessen Größe zu dem elektrischen Strom am Ausgangsanschluss 11c des Halbleiter-Schaltelements 11 korrespondiert, wird daraufhin einem Summenstromdetektor 21 zugeführt. Der Summenstromdetektor 21 wertet das von dem Halbleiter-Schaltelement 11 bereitgestellte Signal aus und stellt daraufhin ein Ausgangssignal bereit, dessen Größe zu dem elektrischen Strom korrespondiert, der von dem entsprechenden Halbleiter-Schaltelement 11 in dem Halbleiterschaltmodul 1 ausgegeben wird. Beispielsweise kann der Einzelstromdetektor 21 hierzu ein analoges oder digitales Signal bereitstellen, dessen Wert zu dem elektrischen Strom am Ausgangsanschluss 11c des Halbleiter-Schaltelements 11 korrespondiert. Wird am Detektoranschluss 11a des Halbleiter-Schaltelements 11 ein elektrischer Strom ausgegeben, dessen Wert zu dem elektrischen Strom am Ausgangsanschluss 11c des Halbleiter-Schaltelements 11 korrespondiert, so kann dieser Strom beispielsweise mittels eines Spannungsabfalls über einem ohmschen Widerstand ausgewertet werden. Dieser Spannungsabfall kann entweder als analoger oder digitalisierter Wert der Rechenvorrichtung 23 bereitgestellt werden. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere Verfahren Erfassung des bereitgestellten Signals möglich.
Die Rechenvorrichtung 23 wertet daraufhin die Ausgangssignale von dem Einzelstromdetektor 21 und dem Summenstromdetektor 22 aus, um gegebenenfalls eine Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltmodul 1 zu erkennen. Hierzu ermittelt die Rechenvorrichtung 23 zunächst den zu erwartenden Stromwert des elektrischen Stroms, der durch jedes der Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 des Halbleiterschaltmoduls 1 fließen sollte. Bei annähernd identisch aufgebauten Halbleiter-Schaltelementen 11, 12 sollte dabei zumindest annähernd auch der gleiche Strom durch jedes der Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 fließen. Wird am Ausgang 13 des Halbleiterschaltmoduls 1 ein elektrischer Summenstrom I_Modul detektiert, so fließt bei einer Anzahl von n Halbleiter-Schaltelementen 11, 12 durch jedes der Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 ein elektrischer Strom I_E = I_Modul:n.
Ist darüber hinaus auch ein Verstärkungsfaktor K bekannt, der angibt, um welchen Faktor ein elektrischer Strom am Ausgangsanschluss 11c des Halbleiter-Schaltelements 11 größer ist als ein elektrischer Strom am Detektoranschluss 11a, so kann daraus ein theoretischer Sollwert für den elektrischen Strom I_Sense,Soll berechnet werden, der von dem Einzelstromdetektor 21 detektiert wird: I_Sense,Soll = I_E:K.
Somit sollte durch den Einzelstromdetektor ein zu erwartender ein Einzelstrom-Sollwert von I_Sense,Soll = I_Modul:(n × K) ergeben.
Die Rechenvorrichtung 23 kann daraufhin den so berechneten Einzelstrom-Sollwert I_Sense,Soll mit dem tatsächlichen, durch den Einzelstromdetektor 21 gemessenen, Messwert vergleichen. Entspricht der tatsächlich durch den Einzelstromdetektor 21 gemessene Wert zumindest annähernd dem theoretischen Sollwert I_Sense,Soll, das heißt ist der Betrag der Differenz zwischen gemessenem und berechnetem Wert kleiner als ein vorgegebener Schwellwert, so liegt keine durch die Vorrichtung 2 detektierbare Fehlfunktion des Halbleiterschaltmoduls 1 vor. Unterschreitet der von dem Einzelstromdetektor 21 gemessene Wert den berechneten Sollwert I_Sense,Soll, so fließt durch das entsprechende Halbleiterschaltmodul 1 ein ungewöhnlich kleiner elektrischer Strom. Dies kann beispielsweise daher kommen, dass in dem Strompfad des Halbleiter-Schaltelements 11, dessen Ausgangsstrom detektiert wird, ein schlechter elektrischer Kontakt vorhanden ist. Alternativ ist es auch denkbar, dass aufgrund eines elektrischen Durchschlags oder ähnlichem eines der weiteren Halbleiter-Schaltelemente 12 einen überdurchschnittlich großen Anteil des Stromes leitet. Wird durch die Rechenvorrichtung 23 erkannt, dass der von dem Einzelstromdetektor 21 gemessene elektrische Strom um mehr als einen unteren Sollwert kleiner ist als der berechnete Einzelstrom-Sollwert I_Sense,Soll, so kann die Rechenvorrichtung 23 einen entsprechenden Fehler in dem Halbleiterschaltmodul 1 detektieren.
Wird durch die Rechenvorrichtung 23 detektiert, dass der Einzelstromdetektor 21 einen Wert detektiert, der signifikant größer ist als der berechnete theoretische Einzelstrom-Sollwert I_Sense,Soll, so kann alternativ festgestellt werden, dass beispielsweise in einem der weiteren Halbleiter-Schaltelemente 12 ein ungewöhnlich geringer oder gegebenenfalls gar kein elektrischer Strom fließt. Alternativ wäre es auch denkbar, dass aufgrund eines Durchschlags in dem Halbleiter-Schaltelement 11 dieses Halbleiter-Schaltelement 11 einen zu hohen Strom führt. Wird daher durch die Rechenvorrichtung 23 detektiert, dass der Einzelstromdetektor 21 einen Strom detektiert, der um mehr als einen oberen Sollwert größer ist als der berechnete Einzelstrom-Sollwert, so kann ein entsprechender Fehler in dem Halbleiterschaltmodul 1 detektiert werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichtervorrichtung mit einer Vorrichtung 1 zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul 1. Die Vorrichtung 1 zum Erkennen der Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltmodul 1 entspricht dabei weitestgehend der zuvor beschriebenen Vorrichtung 1. Der Einzelstromdetektor 21 wertet dabei den zu detektierenden Strom am Detektoranschluss 11a mittels einer Spannungsmessung über einem Widerstand aus. Dieser Spannungsabfall kann beispielsweise mittels eines Analog-zu-Digital-Wandlers 211 periodisch mit einer vorgegebenen Abtastrate abgetastet und digitalisiert werden. Zwischen den beiden Eingängen des Analog-zu-Digital-Wandlers 211 kann dabei ein Kondensator 212 angeordnet sein, der gegebenenfalls mögliche Störungen aufgrund von Einschwingvorgängen oder ähnlichem kompensiert.
Darüber hinaus ist es auch möglich, die Messung durch den Einzelstromdetektor 21 auch gezielt zu steuern bzw. zu verzögern. Ist beispielsweise das Steuersignal am Steuereingang (Gate) 11d des Halbleiterschalters 11 bekannt, so kann auch erst nach einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung mit der Messung durch den Einzelstromdetektor 21 begonnen werden. Darüber hinaus kann zur Unterdrückung von Störungen aus kurzen Peak-Strömen oder ähnlichem auch der von dem Summenstromdetektor 22 gemessene Summenstrom durch einen Tiefpass 220 gefiltert werden.
Unterschreitet der von dem Summenstromdetektor 22 gemessene Summenstrom am Ausgang 13 des Halbleiterschaltmoduls 1 einen vorgegebenen Mindeststrom, so kann gegebenenfalls auch die Detektion einer Fehlfunktion durch die Vorrichtung 1 zum Erkennen der Fehlfunktion deaktiviert werden. Die vorgegebene Schwelle für den Mindeststrom kann dabei beispielsweise so gewählt werden, dass auch beim Ausfall eines oder mehrerer Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 es zu keiner Überlastung der verbleibenden Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 kommen wird, die beispielsweise eine thermische Zerstörung der verbleibenden Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 zur Folge hätten.
Werden die Halbleiter-Schaltelemente 11 und 12 in der Stromrichtervorrichtung mit einem vorgegebenen Tastverhältnis angesteuert, so kann in diesem Fall beispielsweise auch auf eine Detektion einer Fehlfunktion verzichtet werden, wenn das Tastverhältnis für die Ansteuerung der Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 ein vorgegebenes Mindesttastverhältnis unterschreitet. Dieses Mindesttastverhältnis kann beispielsweise so gewählt werden, dass selbst bei einer Fehlfunktion von einem oder mehreren Halbleiter-Schaltelementen 11 und 12 es zu keiner Überlastung der verbleibenden Halbleiter-Schaltelemente 11, 12 kommen würde.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltmodul zugrunde liegt. Bei dem Halbleiterschaltmodul gemäß diesem Verfahren handelt es sich beispielsweise um ein zuvor beschriebenes Halbleiterschaltmodul mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Halbleiter-Schaltelemente.
In Schritt S1 wird zunächst ein von dem gesamten Halbleiterschaltmodul 1 ausgegebener elektrischer Summenstrom detektiert. Anschließend wird in Schritt S2 ein Einzelstromwert erfasst, der zu einem elektrischen Strom durch eines der Halbleiter-Schaltelemente 11 des Halbleiterschaltmoduls 1 korrespondiert. In Schritt S3 wird ein Einzelstrom-Sollwert I_Sense,Soll basierend auf dem detektierten Summenstrom I_Modul berechnet. Die Berechnung erfolgt dabei beispielsweise auf die oben beschriebene Weise: I_Sense,Soll = I_Modul:(n × K).
In Schritt S4 kann daraufhin eine Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltmodul 1 detektiert werden, wenn der erfasste Einzelstromwert von dem berechneten Einzelstrom-Sollwert um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert abweicht.
Wie zuvor bereits beschrieben, erfolgt die Berechnung des Einzelstrom-Sollwerts dabei basierend auf der bekannten Anzahl n von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen in dem Halbleiterschaltmodul 1. Darüber hinaus wird ein Verstärkungsfaktor K bzw. gegebenenfalls auch eine Übertragungsfunktion berücksichtigt, die den Zusammenhang zwischen dem am Detektorausgang 11a bereitgestellten Signal und dem am Ausgangsanschluss 11c des Halbleiterschalters ausgegebenen elektrischen Stroms beschreibt.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Detektion von Fehlfunktionen in einem Halbleiterschaltmodul mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen. Hierzu wird basierend auf einer bekannten Anzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen ein zu erwartender Sollwert durch eines der Halbleiter-Schaltelemente berechnet. Dieser berechnete Sollwert für den elektrischen Strom durch eines der Halbleiter-Schaltelemente wird mit einem entsprechenden Messwert für den elektrischen Strom in einem Halbleiter-Schaltelement verglichen. Basierend auf einer Abweichung zwischen dem gemessenen Strom durch ein Halbleiter-Schaltelement und dem berechneten Sollwert kann eine Fehlfunktion in den vorhandenen Halbleiter-Schaltelementen des Halbleiterschaltmoduls detektiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19918966 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (2) zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltermodul (1) mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen (11, 12), wobei die Vorrichtung (2) umfasst: einen Summenstromdetektor (22), der dazu ausgelegt ist, ein zu einem von dem Halbleiterschaltmodul (1) ausgegebenen elektrischen Strom korrespondierendes erstes Ausgangsignal bereitzustellen; einen Einzelstromdetektor (21), der dazu ausgelegt ist, ein Eingangssignal zu empfangen, das zu einem Strom durch eines der Halbleiter-Schaltelemente (11) des Halbleiterschaltermoduls (1) korrespondiert, und ein zu dem empfangenen Eingangssignal proportionales zweites Ausgangsignal bereitzustellen; eine Rechenvorrichtung (23), die dazu ausgelegt ist, das von dem Summenstromdetektor (22) bereitgestellte erste Ausgangsignal und das von dem Einzelstromdetektor (21) bereitgestellt zweite Ausgangsignal zu empfangen, basierend auf dem empfangenen ersten Ausgangsignal einen Einzelstrom-Sollwert zu berechnen, und eine Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltmodul (1) zu detektieren, wenn das empfangene erste Ausgangssignal von dem berechneten Einzelstrom-Sollwert um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert abweicht.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei der Einzelstromdetektor (21) einem ohmschen Widerstand und einen Spannungssensor umfasst, und der Spannungssensor dazu ausgelegt ist, einen Spannungsabfall über dem ohmschen Widerstand zu erfassen.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rechenvorrichtung (23) ferner dazu ausgelegt ist, nur dann eine Detektion für eine Fehlfunktion auszuführen, wenn das von dem Summenstromdetektor (229 bereitgestellte erste Ausgangsignal größer ist als ein vorgegebener Summenstrom-Grenzwert.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Rechenvorrichtung (23) ferner dazu ausgelegt ist, einen ersten Fehler zu detektieren, wenn das empfangene erste Ausgangssignal um mehr als einen oberen Sollwert größer ist als der berechnete Einzelstrom-Sollwert, und einen zweiten Fehler zu detektieren, wenn das empfangene erste Ausgangssignal um mehr als einen unteren Sollwert kleiner ist als der berechnete Einzelstrom-Sollwert.
Stromrichtervorrichtung, mit: einem Halbleiterschaltermodul (1) mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen (11, 12); und einer Vorrichtung (2) zum Erkennen einer Fehlfunktion nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Halbleiterschaltmodul (1) einem Mehrzahl von parallel geschalteten IGBT-Elementen umfasst.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei mindestens ein IGBT-Element einen Transistor mit einem Sense-Anschluss umfasst, der mit dem Einzelstromdetektor (21) gekoppelt ist.
Verfahren zum Erkennen einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltermodul (1) mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen (11, 12), mit den folgenden Schritten: Detektieren (S1) eines elektrischen Summenstroms, der von dem gesamten Halbleiterschaltmodul (1) ausgegebenen wird; Erfassen (S2) eines Einzelstromwerts, der zu einem elektrischen Strom durch eines der Halbleiter-Schaltelemente (11) des Halbleiterschaltermoduls (1) fließt; Berechnen (S3) eines Einzelstrom-Sollwerts basierend auf dem detektierten Summenstrom; Bestimmen (S4) einer Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltmodul (1), wenn der erfasste Einzelstromwert von dem berechneten Einzelstrom-Sollwert um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert abweicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Einzelstrom-Sollwert basierend auf einer Anzahl der parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelemente (11, 12) und einer Übertragungsfunktion für das Erfassen der Einzelstromwerte berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schritt (S4) zum Bestimmen einer Fehlfunktion nur dann eine Fehlfunktion bestimmt, wenn der Summenstrom einem vorgegebenen Summenstrom-Grenzwert überschreitet.