WO2016005166A1 - Redundante leistungselektronikschaltung mit parallelen reihenschaltungen aus leistungshalbleiter und sicherung - Google Patents

Redundante leistungselektronikschaltung mit parallelen reihenschaltungen aus leistungshalbleiter und sicherung Download PDF

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WO2016005166A1
WO2016005166A1 PCT/EP2015/063802 EP2015063802W WO2016005166A1 WO 2016005166 A1 WO2016005166 A1 WO 2016005166A1 EP 2015063802 W EP2015063802 W EP 2015063802W WO 2016005166 A1 WO2016005166 A1 WO 2016005166A1
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power electronics
redundant
semiconductor
terminal
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Markus Pfeifer
Marvin TANNHÄUSER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters

Definitions

  • the invention relates to an at least one hogurlei ⁇ ter comprehensive power electronics circuit, for example an inverter circuit, and an inverter, and whose
  • semiconductor devices - By too high currents or too high frequencies or by defects in the semiconductor layers even at not too high currents and not too high frequencies power semiconductors and power semiconductor switches - collectively referred to as semiconductor devices - can be destroyed. In the case of such a destruction of a semiconductor component is usually the entire function of a
  • the semiconductor device may be conductive (plated through) or non-conductive (open) due to the defect.
  • To detect a particular condition of a defective semiconductor device is a very fast detection and Ansteue- is tion required to an optionally due to a De ⁇ Anlagens permanently conducting semiconductor device using white ⁇ more excellent switch, thus for example either further semiconductor components in the form of power semiconductor switches or mechanical switch, for example contactors, to be disconnected from the respective system.
  • a protective device increases the number of necessary components and he ⁇ increases the space required in each case, in the case of shooters even many times.
  • the power electronics circuit comprises in a parallel connection at least two identical or at least similar power semiconductors, wherein a fuse is connected in series with each power semiconductor. Due to the parallel connection, the power electronics circuit ⁇ tion includes the respective power semiconductor in redundant form, so that the power electronics circuit can be referred to collectively as a redundant power electronics circuit.
  • the name of the encompassed by the power electronics circuit power semiconductor means that it is in each case identical power ⁇ types of semiconductors to be equal or at least similar, so for example each to
  • the semiconductor components connected in parallel in the redundant power electronic circuit have their own fuse assigned in each parallel branch, in particular a fuse in the form of a fuse. Each fuse is sized so that it is automatically separated from the other still-functioning semiconductor devices in a resulting due to a short circuit fault ⁇ a semiconductor device, short-circuit current and data to the circuit can be operated.
  • the parallel-connected semiconductor components themselves are preferably dimensioned so that in case of failure of one or more semiconductor devices, the remaining, still functioning semiconductor components in combination each have a required current carrying capacity, so that the respective
  • Load current can continue to flow over the remaining semiconductor devices and thus the overall functionality of the ⁇ particular circuit is ensured. In the event that the current carrying capacity of the remaining semiconductor devices for the intended rated current is not sufficient, the respective circuit can still be operated at least with reduced power.
  • the advantage of the invention is that parallel switching means of the patent and a defective semiconductor device can be automatically disconnected from the remaining circuitry of the present in each parallel branch fuse and operation of the circuit and its original functionality is further ensured Anson ⁇ th.
  • the further function is optionally ensured without restrictions. At least the other function with reduced power is guaranteed.
  • EP 0 989 611 A discloses an approach in which a short-circuit current flowing due to the defect of a semiconductor device is used in order to achieve a desired state in view of the defect. There, the defective semiconductor component by melting a special Lei layer in a defined short circuit. In the approach according to the invention, however, a short circuit is to be avoided and by means of the parallel circuit and the fuse present in each branch takes place at a defective semiconductor device and then flowing short-circuit current triggering the fuse of each affected parallel branch, which eliminates the short circuit existing due to the defect becomes.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the references used in this case point to the further development of the subject of the Hauptanspru ⁇ ches by the features of the respective sub-claim.
  • Circuits in accordance with the approach proposed here are particularly suitable for applications in which a high level of fail-safety is or even has to be guaranteed, for example in drives of electric or hybrid electric vehicles, rail vehicles and drives for use in the process industry. , Production and energy technology.
  • the power semiconductors switches in the form of IGBTs, MOSFETs or the like are correspondingly in the case of the parallel-connected power semiconductors.
  • Such power semiconductor switches are electronic
  • a redundant power electronics circuit with derar- term power semiconductor switches such as IGBTs, each having a gate terminal, a collector terminal and emitter terminal ei ⁇ NEN, are within the scope of the parallel circuit ⁇ one hand, the collector terminals and the
  • the gate terminals merged to a common gate terminal of the redundant cruelektro ⁇ nikscrien.
  • the control of all encompassed by the power electronics circuit and parallel power semiconductor switch is thus effected via the one central gate of the power electronics scarf ⁇ tion.
  • the power electronics circuit itself thus acts as a single power semiconductor switch and, just like the latter, is connected and controllable within a surrounding circuit.
  • a current carrying capacity of each individual power semiconductor switch encompassed by the parallel circuit is chosen such that, in the event of a defect of a power semiconductor switch or more than one power semiconductor switch, the remaining one Leis ⁇ semiconductor switch or the remaining power semiconductor switch having a suffi- for an expected load current sponding current carrying capacity or have.
  • the power electronics circuit can continue to operate also in case of failure of one or more power semiconductor switches without restrictions, so that for example there is no reduction of the load current is necessary and, for example, at a drive having a converter with at least ei ⁇ ner such power electronics circuit results not reduced torque , b
  • At least one bonding wire acts as a fuse in each parallel branch.
  • a monitoring device associated therewith or included therein and means for detecting a terminal voltage and a terminal current of the power electronics circuit are provided, wherein by means of the monitoring device measured values for terminal voltage and terminal current with predetermined or predeterminable expected values are comparable and being dependent from the result of the comparison, an output signal can be output.
  • Means egg ⁇ ner such a monitoring device is automatically occurring in operation failures of one or more power semiconductor ⁇ recognizable and by means of a dispensable by the surveil ⁇ monitoring means output signal, for example, a display element, for example a light emitting diode controlled.
  • a display element makes a user of the power electronics circuit or of a circuit or a device with a plurality of such power electronics circuits aware of the defect and, especially in the case of several power electronics circuits, makes it easy to localize the affected power electronics circuit.
  • a power electronics circuit of the type described here and below is also particularly suitable for use in a converter, in particular a converter in the form of a rectifier, inverter and frequency converter.
  • the invention is also an inverter with at least one redundant power electronics circuit of the type described here and below.
  • an inverter with at least one half-bridge circuit two power electronics circuits connected in series in the or each half-bridge circuit of the type described here and in the following are provided.
  • a half-bridge circuit with electronically controllable switches usually only one or the other electronic switch is always activated.
  • a power electronics circuit functioning as an electronic switch of the type described here and below results in a short-circuit current across the respective half-bridge, so that a triggering of the fuse assigned to the power semiconductor concerned can be expected can.
  • the power semiconductor affected by the defect is separated from the overall circuit, ie the converter circuit.
  • the function of the affected half-bridge is retained. As a result, the function of the converter circuit as a whole is maintained and, for example, a drive with a converter circuit also remains in operation.
  • the power electronics circuit proposed here and individual or combined embodiments thereof are not limited to use in the field of power electronics, so that the invention is generally also a circuit with the features described herein and below and advantageously ensures increased reliability of a surrounding overall circuit.
  • FIG. 5 shows further embodiments of the circuit according to FIG. 1,
  • FIG 6 shows a half-bridge circuit with two sub-circuits shown in FIG 1 and
  • FIG 7 shows a circuit according to FIG 1 with one of these zugeord ⁇ Neten monitoring device.
  • FIG. 1 shows two semiconductor components 10, namely two so-called IGBTs (IGBT1, IGBT2), more precisely two IGBTs, each having an antiparallel freewheeling diode, comprehensive power electronics circuit 12, which is referred to below as circuit 12 for short.
  • the two half ⁇ conductor devices 10 are connected in parallel within the circuit 12, and in each parallel branch 14 is connected in series with the respective gene semiconductor device 10 is a fuse 16 (Fl, F2).
  • Each IGBT included in the circuit 12 comprises a gate, a collector and an emitter terminal in a manner known per se. Due to the parallel ⁇ circuit of the IGBTs used here as an example of basically any semiconductor devices 10, the scarf ⁇ device 12 itself also has a gate terminal 20, a collector terminal 22 and an emitter terminal 24.
  • the circuit 12 with at least two IGBTs connected in parallel can thus be connected and controlled just like a single IGBT. For a respective surrounding circuit, for example a converter circuit, it does not matter if a individual IGBT or a circuit 12 of the type shown in Figure 1 is driven.
  • each parallel branch 14 comprises a semiconductor component 10 and a fuse 16 connected in series therewith.
  • the parallel branches 14 of the circuit 12 are accordingly functionally identical and the circuit 12 overall realizes the function of one of the semiconductor components 10 placed in all parallel branches.
  • the parallel connection of the semiconductor components 10 causes redundancy of the semiconductor components 10. In the case of a defect of one of the semiconductor devices 10 such that the semiconductor device 10 becomes conductive and loses its actual function, a current, for example a short-circuit current, permanently flows through the respective parallel branch 14 the defective semiconductor device 10.
  • the resulting circuit 12 may be referred to as a redundant IGBT or as a redundant IGBT with increased reliability, for example in the case of IGBTs as semiconductor components 10 become.
  • the function of the circuit 12 as a whole is identical to the function of each of the at least two parallel branches 14 included individual semiconductor device 10, so that the circuit 12 acts as a whole as a single IGBT. By this function of the circuit 12 is maintained even with a defect of one of the parallel-connected semiconductor devices 10 or possibly more such semiconductor devices 10, the increased reliability is guaranteed.
  • diodes (HL1, HL2 .. HLn) are shown as a further example ge ⁇ shows according to the procedure here ⁇ chosen approach Redundant semiconductor devices 10th
  • the illustration in FIG 4 shows a symbolically illustrated in the form of a conventional switch switchable semiconductor component 10 (HL1, H2 .. HLn) to the applicability of the approach proposed here for reason ⁇ additionally any semiconductor devices 10 and expressly for redundant execution of non underlined for use in the field of power electronics semiconductor devices 10 again.
  • FIG. 5 illustrates, it is also not important how the series connection of one (switchable or non-switchable) semiconductor component 10 (HL1, H2..HLn) and one fuse 16 (F1, F2, .. Fn) in the individual parallel branches 14 is realized.
  • HL1, H2..HLn one semiconductor component 10
  • F1, F2, .. Fn fuse 16
  • FIGS. 1 to 4 a placement of the fuses 16 at an upper contact point of the respective semiconductor component 10 has been shown.
  • FIG. 5 shows an alternative and equivalent embodiment. form with at the lower contact point of the semiconductor devices 10 placed fuses 16th
  • the illustration in Figure 6 is a half-bridge circuit (half-bridge) 30, as for example in an output stage of an inverter for driving a polyphase machine ver ⁇ reversible.
  • the half-bridge 30 is shown to include two formwork ⁇ obligations 12 according to FIG 1, each with two IGBTs (IGBT1, IGBT2, IGBT3, IGBT4). In principle, more than two IGBTs are also possible for each circuit 12 according to FIG. 2, FIG. 4 and FIG. 5.
  • Each of the two circuits 12 is hereinafter referred to as redundant IGBT.
  • Short-circuit current i K s triggers this fuse 16 (F2).
  • the short-circuit current i K s divides the here two parallel branches 14 and to their respective Si ⁇ fuses 16 (F3, F4) does not trigger.
  • the fuse 16 (F2) in exactly the parallel branch 14 with the defective half ⁇ semiconductor component 10 (IGBT2) has tripped, the defective semiconductor device is 10 (IGBT2) separated from the rest of the circuit 12, 30, as shown on the right side of depicting ⁇ ment in FIG 6 is shown. The further operation of the half-bridge circuit 30 is thus still possible despite the failed semiconductor component 10.
  • a fuse or fuses 16 comes in all the embodiments described here suitably dimensioned, for contacting the respective semiconductor device 10 be ⁇ voted bonding wires (not shown separately) or other conductor tracks into consideration.
  • the use of a bonding wire or other conductor track is described below - but without renouncing any further generality - on the example of a bonding wire.
  • Such a bonding wire acts at a corresponding amperage as the
  • FIG. 7 shows an embodiment of a circuit 12 according to FIG. 1 with an integrated current
  • the terminal behavior of the circuit 12 changes, for example, in the form of a breakdown of the voltage between the collector terminal 22 and the emitter terminal 24 until the respective fuse 16 is triggered.
  • the voltage between the collector terminal 22 and the emitter terminal 24 (or generally the terminal voltage) and the current at the collector terminal 22 (or generally the terminal current) are known and for example by means of acting as a monitoring device driver circuit 32 with each recorded measured values (in the illustration by appropriate measuring devices, namely a voltmeter and a
  • a combination of the functionality for controlling a redundant IGBT and for monitoring the IGBTs covered thereby and correspondingly the use of a driver circuit 32 as a monitoring device is advantageous because the driver circuit 32 usually has the abovementioned measured values anyway, so that only a minimal effort is required to monitor them the measured values are required in relation to respectively expected values (expected values).
  • the driver circuit 32 are the HeidelbergZeitali and thus the
  • the driver circuit 32 or another monitoring device outputs an output signal 34 which indicates a possible defect of a semiconductor component 10 encompassed by the respective associated circuit 12. Due to such output signal 34, a display element, for example a light emitting diode (not shown), driven ⁇ the. Due to the monitoring, an exchange of a circuit 12 which is affected by a defect of a semiconductor component 10 or a plurality of semiconductor components 10 can take place in a timely manner.
  • a use in a so-called inverse converter (buck-boost converter) or in a boost converter (boost converter) comes into consideration a circuit 12 with a plurality of switchable semiconductor devices 10 in place of a usually provided there each simple electronic switch occurs.

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Abstract

Die Erfindung ist eine redundante Leistungselektronikschaltung (12) in Form einer Parallelschaltung von zumindest zwei gleichen oder zumindest gleichartigen Leistungshalbleitern (10), wobei in Reihe zu jedem Leistungshalbleiter (10) eine Sicherung (16) geschaltet ist, sowie ein Umrichter mit einer solchen Leistungselektronikschaltung (12).

Description

Beschreibung
REDUNDANTE LEISTUNGSELEKTRONIKSCHALTUNG MIT PARALLELEN REIHENSCHALTUNGEN AUS
LEISTUNGSHALBLEITER UND SICHERUNG
Die Erfindung betrifft eine zumindest einen Leistungshalblei¬ ter umfassende Leistungselektronikschaltung, zum Beispiel eine Umrichterschaltung, sowie einen Umrichter und dessen
Umrichterschaltung mit einer Leistungselektronikschaltung.
Halbleiter, speziell Leistungshalbleiter, Leistungshalbleiterschalter und elektrische Schaltungen mit Leistungshalblei¬ tern oder Leistungshalbleiterschaltern, zum Beispiel sogenannten IGBTs, sind an sich bekannt. Ein Anwendungsfall für Leistungshalbleiterschalter und elektrische Schaltungen mit Leistungshalbleiterschaltern sind sogenannte Umrichter, also Gleichrichter, Wechselrichter und Frequenzumrichter.
Durch zu hohe Ströme oder zu hohe Frequenzen oder auch durch Defekte in den Halbleiterschichten sogar bei nicht zu hohen Strömen und nicht zu hohen Frequenzen können Leistungshalbleiter und Leistungshalbleiterschalter - im Folgenden zusammenfassend als Halbleiterbauelemente bezeichnet - zerstört werden. Im Falle einer solchen Zerstörung eines Halbleiter- bauelements ist üblicherweise die gesamte Funktion einer
Schaltung oder eines Geräts mit einer solchen Schaltung in- frage gestellt.
Bei einem derartigen Fehlerfall ist nicht vorhersehbar, wel- chen Zustand das jeweilige defekte Halbleiterbauelement ein¬ nimmt. Das Halbleiterbauelement kann aufgrund des Defekts leitend (durchlegiert) oder nicht leitend (offen) sein. Zur Erkennung eines jeweiligen Zustands eines defekten Halbleiterbauelements ist eine sehr schnelle Detektion und Ansteue- rung erforderlich, um gegebenenfalls ein aufgrund eines De¬ fekts dauerhaft leitendes Halbleiterbauelement mit Hilfe wei¬ terer Schalter, also zum Beispiel entweder weiterer Halbleiterbauelemente in Form von Leistungshalbleiterschaltern oder mechanischer Schalter, zum Beispiel Schützen, vom jeweiligen System abzutrennen. Eine diesbezügliche Schutzeinrichtung vergrößert allerdings die Anzahl notwendiger Bauteile und er¬ höht den jeweils benötigten Bauraum, im Falle von Schützen sogar um ein Vielfaches. Wenn keine derartige Schutzeinrichtung oder vergleichbare Schutzmaßnahmen vorhanden sind, treten im Fehlerfall unkontrollierte Ausgleichsströme auf. So können im Falle eines defekten sowie aufgrund des Defekts leitenden Halbleiterbauelements weitere Halbleiterbauelemente und die jeweilige Schaltung insgesamt, also zum Beispiel ein Umrichter, zerstört werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung anzugeben, insbesondere eine im Bereich der Leis- tungselektronik verwendbare Schaltung, die geeignet ist, selbst bei einem im Betrieb auftretenden Defekt eines von der Schaltung umfassten Halbleiterbauelements die ursprüngliche Funktion aufrecht zu erhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer redundanten Leistungselektronikschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Leistungselektronikschaltung umfasst in einer Parallelschaltung zumindest zwei gleiche oder zumindest gleichartige Leistungshalbleiter, wobei in Reihe zu jedem Leistungshalbleiter eine Sicherung geschaltet ist. Aufgrund der Parallelschaltung umfasst die Leistungselektronikschal¬ tung die jeweiligen Leistungshalbleiter in redundanter Form, so dass die Leistungselektronikschaltung insgesamt als redundante Leistungselektronikschaltung bezeichnet werden kann.
Die Bezeichnung der von der Leistungselektronikschaltung umfassten Leistungshalbleiter als gleich oder zumindest gleichartig bedeutet, dass es sich um jeweils gleiche Leistungs¬ halbleitertypen handelt, also zum Beispiel jeweils um
MOSFETs, IGBTs oder Leistungsdioden, sowie dass die parallel geschalteten Leistungshalbleiter hinsichtlich ihrer Stromtragfähigkeit gleich oder zumindest im Rahmen üblicher Tole¬ ranzen gleich sind. Den bei der redundanten Leistungselektronikschaltung parallel geschalteten Halbleiterbauelementen ist in jedem Parallelzweig jeweils eine eigene Sicherung zugeordnet, insbesondere ein Sicherung in Form einer Schmelzsicherung. Jede Sicherung ist so dimensioniert, dass bei einem aufgrund eines Kurz¬ schlussfehlers eines Halbleiterbauelements resultierenden Kurzschlussstrom dieses automatisch von den anderen noch funktionierenden Halbleiterbauelementen getrennt wird und da- nach die Schaltung weiterbetrieben werden kann. Die parallel geschalteten Halbleiterbauelemente selbst sind bevorzugt so dimensioniert, dass bei einem Ausfall eines oder mehrerer Halbleiterbauelemente die verbleibenden, noch funktionierenden Halbleiterbauelemente in Kombination eine jeweils benö- tigte Stromtragfähigkeit besitzen, so dass der jeweilige
Laststrom weiterhin über die verbleibenden Halbleiterbauelemente fließen kann und damit die Gesamtfunktionalität der je¬ weiligen Schaltung gewährleistet ist. Für den Fall, dass die Stromtragfähigkeit der verbleibenden Halbleiterbauelemente für den vorgesehenen Nennstrom nicht ausreicht, kann die jeweilige Schaltung immerhin noch mit reduzierter Leistung weiterbetrieben werden.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels der Pa- rallelschaltung und der in jedem Parallelzweig vorhandenen Sicherung ein defektes Halbleiterbauelement automatisch von der restlichen Schaltung getrennt werden kann und der Betrieb der Schaltung und deren ursprüngliche Funktionalität ansons¬ ten weiter gewährleistet ist. Je nach Art und Anzahl der Halbleiterbauelemente ist die weitere Funktion gegebenenfalls ohne Einschränkungen gewährleistet. Zumindest ist die weitere Funktion mit reduzierter Leistung gewährleistet.
Aus der EP 0 989 611 A ist ein Ansatz bekannt, bei dem ein aufgrund des Defekts eines Halbleiterbauelements fließender Kurzschlussstrom verwendet wird, um angesichts des Defekts einen gewünschten Zustand zu erreichen. Dort wird das defekte Halbleiterbauelement durch Aufschmelzen einer speziellen Lei- tungsschicht in einen definierten Kurzschluss gebracht. Bei dem Ansatz gemäß der Erfindung soll dagegen ein Kurzschluss vermieden werden und mittels der Parallelschaltung und der in jedem Zweig vorhandenen Sicherung erfolgt bei einem defekten Halbleiterbauelement und einem daraufhin fließenden Kurzschlussstrom ein Auslösen der Sicherung des jeweils betroffenen Parallelzweigs, womit der aufgrund des Defekts bestehende Kurzschluss aufgehoben wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspru¬ ches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selb- ständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombina¬ tionen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Be- schränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
Schaltungen entsprechend dem hier vorgeschlagenen Ansatz kommen speziell für Anwendungen, bei denen eine hohe Ausfallsi- cherheit im Vordergrund steht oder sogar garantiert werden muss, in Betracht, zum Beispiel bei Antrieben von Elektro- oder Elektrohybridfahrzeugen, Schienenfahrzeugen sowie bei Antrieben zur Verwendung in der Prozess-, Produktions- und Energietechnik .
Bei einer besonderen Ausführungsform einer redundanten Leistungselektronikschaltung handelt es sich entsprechend bei den parallel geschalteten Leistungshalbleitern um Leistungshalbleiterschalter in Form von IGBTs, MOSFETs oder dergleichen. Solche Leistungshalbleiterschalter sind als elektronische
Schalter in Umrichtern an sich bekannt. Mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz lässt sich die Ausfallsicherheit einer Umrichterschaltung oder eines Antriebs mit einer solchen Umrichterschaltung signifikant erhöhen.
Bei einer redundanten Leistungselektronikschaltung mit derar- tigen Leistungshalbleiterschaltern, zum Beispiel IGBTs, die jeweils einen Gateanschluss , einen Kollektoranschluss und ei¬ nen Emitteranschluss aufweisen, sind im Rahmen der Parallel¬ schaltung einerseits die Kollektoranschlüsse und die
Emitteranschlüsse zu einem gemeinsamen Kollektor- bzw.
Emitteranschluss und andererseits die Gateanschlüsse zu einem gemeinsamen Gateanschluss der redundanten Leistungselektro¬ nikschaltung zusammengeführt. Die Ansteuerung aller von der Leistungselektronikschaltung umfassten und parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter erfolgt demnach über den einen zentralen Gateanschluss der Leistungselektronikschal¬ tung. Die Leistungselektronikschaltung selbst fungiert damit wie ein einzelner Leistungshalbleiterschalter und ist genau wie dieser innerhalb einer umgebenden Schaltung angeschlossen und ansteuerbar.
Speziell bei einer Leistungselektronikschaltung mit parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern, zum Beispiel IGBTs oder MOSFETs, ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine Strom¬ tragfähigkeit jedes einzelnen von der Parallelschaltung um- fassten Leistungshalbleiterschalters so gewählt ist, dass bei einem Defekt eines Leistungshalbleiterschalters oder mehr als eines Leistungshalbleiterschalters der verbleibende Leis¬ tungshalbleiterschalter oder die verbleibenden Leistungshalbleiterschalter eine für einen erwarteten Laststrom ausrei- chende Stromtragfähigkeit aufweist bzw. aufweisen. Dann kann die Leistungselektronikschaltung auch im Falle eines Defekts eines oder mehrerer Leistungshalbleiterschalter ohne Einschränkungen weiterbetrieben werden, so dass zum Beispiel keine Reduzierung des Laststroms notwendig ist und zum Bei- spiel bei einem Antrieb mit einem Umrichter mit zumindest ei¬ ner solchen Leistungselektronikschaltung kein verringertes Drehmoment resultiert. b
Bei einer besonderen Ausführungsform der Leistungselektronikschaltung fungiert in jedem Parallelzweig jeweils zumindest ein Bonddraht als Sicherung. Der Vorteil dieser Ausführungs¬ form besteht darin, dass ein ohnehin notwendiger Anschluss der parallel geschalteten Leistungshalbleiter mittels Bonddrähten einfach und gut automatisierbar herstellbar ist und dass solche Bonddrähte jetzt eine Mehrfachfunktion erhalten, nämlich einerseits als Anschluss- und Kontaktelemente und an¬ dererseits als Sicherungen fungieren. Eine separate Sicherung in jedem Parallelzweig ist damit nicht mehr erforderlich.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der redundanten Leistungselektronikschaltung sind eine dieser zugeordnete oder davon umfasste Überwachungseinrichtung und Mittel zur Erfassung einer Klemmenspannung sowie eines Klemmenstroms der Leistungselektronikschaltung vorgesehen, wobei mittels der Überwachungseinrichtung Messwerte zur Klemmenspannung und zum Klemmenstrom mit vorgegebenen oder vorgebbaren Erwartungswerten vergleichbar sind und wobei in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal ausgebbar ist. Mittels ei¬ ner solchen Überwachungseinrichtung ist automatisch ein im Betrieb auftretender Defekt eines oder mehrerer Leistungs¬ halbleiter erkennbar und mittels eines durch die Überwa¬ chungseinrichtung ausgebbaren Ausgangssignals ist zum Bei- spiel ein Anzeigeelement, zum Beispiel eine Leuchtdiode, ansteuerbar. Ein solches Anzeigeelement macht einen Verwender der Leistungselektronikschaltung oder einer Schaltung oder eines Geräts mit einer Mehrzahl solcher Leistungselektronikschaltungen auf den Defekt aufmerksam und ermöglicht speziell im Falle mehrerer Leistungselektronikschaltungen eine leichte Lokalisierung der betroffenen Leistungselektronikschaltung.
Eine Leistungselektronikschaltung der hier und im Folgenden beschriebenen Art kommt besonders auch zur Verwendung in ei- nem Umrichter, insbesondere einem Umrichter in Form eines Gleichrichters, Wechselrichters und Frequenzumrichters, in Betracht. Insofern ist die Erfindung auch ein Umrichter mit zumindest einer redundanten Leistungselektronikschaltung der hier und im Folgenden beschriebenen Art.
Bei einer besonderen Ausführungsform eines Umrichters mit zu- mindest einer Halbbrückenschaltung sind zwei in der oder jeder Halbbrückenschaltung in Serie geschaltete Leistungselektronikschaltungen der hier und im Folgenden beschriebenen Art vorgesehen. Bekanntlich ist bei einer Halbbrückenschaltung mit elektronisch ansteuerbaren Schaltern üblicherweise immer nur entweder der eine oder der andere elektronische Schalter angesteuert. Bei einer als elektronischer Schalter fungierenden Leistungselektronikschaltung der hier und im Folgenden beschriebenen Art ergibt sich im Falle eines Defekts in einer der Leistungselektronikschaltungen und einer Ansteuerung der anderen Leistungselektronikschaltung ein Kurzschlussstrom über die jeweilige Halbbrücke, so dass mit einer Auslösung der dem betroffenen Leistungshalbleiter zugeordneten Sicherung gerechnet werden kann. Auf diese Weise wird der von dem Defekt betroffene Leistungshalbleiter von der Gesamtschal- tung, also der Umrichterschaltung, abgetrennt. Die Funktion der betroffenen Halbbrücke bleibt dabei erhalten. Damit bleibt auch die Funktion der Umrichterschaltung insgesamt erhalten und zum Beispiel ein Antrieb mit Umrichterschaltung bleibt ebenfalls in Betrieb.
Die hier vorgeschlagene Leistungselektronikschaltung und einzelne oder kombinierte Ausführungsformen derselben sind nicht auf eine Verwendung im Bereich der Leistungselektronik beschränkt, so dass die Erfindung allgemein auch eine Schaltung mit den hier und im Folgenden beschriebenen Merkmalen ist und vorteilhaft eine erhöhte Ausfallsicherheit einer umgebenden Gesamtschaltung gewährleistet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen
FIG 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung,
FIG 2 eine weitere Ausführungsform der Schaltung gemäß
FIG 1,
FIG 3 bis
FIG 5 weitere Ausführungsformen der Schaltung gemäß FIG 1,
FIG 6 eine Halbbrückenschaltung mit zwei Teilschaltungen gemäß FIG 1 sowie FIG 7 eine Schaltung gemäß FIG 1 mit einer dieser zugeord¬ neten Überwachungseinrichtung.
Die Darstellung in FIG 1 zeigt eine zwei Halbleiterbauelemente 10, nämlich zwei sogenannte IGBTs (IGBT1, IGBT2), genauer zwei IGBTs mit jeweils einer antiparallelen Freilaufdiode, umfassende Leistungselektronikschaltung 12, die im Folgenden kurz nur als Schaltung 12 bezeichnet wird. Die beiden Halb¬ leiterbauelemente 10 sind innerhalb der Schaltung 12 parallel geschaltet und in jedem Parallelzweig 14 ist mit dem jeweili- gen Halbleiterbauelement 10 eine Sicherung 16 (Fl, F2) in Reihe geschaltet.
Jeder von der Schaltung 12 umfasste IGBT umfasst in an sich bekannter Art und Weise einen Gateanschluss , einen Kollektor- anschluss und einen Emitteranschluss . Aufgrund der Parallel¬ schaltung der hier als Beispiel für grundsätzlich beliebige Halbleiterbauelemente 10 verwendeten IGBTs weist die Schal¬ tung 12 insgesamt selbst auch einen Gateanschluss 20, einen Kollektoranschluss 22 und einen Emitteranschluss 24 auf. Die Schaltung 12 mit zumindest zwei parallel geschalteten IGBTs kann also genau wie ein einzelner IGBT angeschlossen und angesteuert werden. Für eine jeweilige umgebende Schaltung, zum Beispiel eine Umrichterschaltung, ist es unerheblich, ob ein einzelner IGBT oder eine Schaltung 12 der in FIG 1 gezeigten Art angesteuert wird.
Die Darstellung in FIG 2 entspricht im Wesentlichen der Dar- Stellung in FIG 1 und zeigt, dass die Anzahl der Parallel¬ zweige 14 und die Anzahl der parallelgeschalteten Halbleiterbauelemente 10 grundsätzlich beliebig ist. In jedem Fall um- fasst jeder Parallelzweig 14 ein Halbleiterbauelement 10 und eine damit in Serie geschaltete Sicherung 16. Die Parallel- zweige 14 der Schaltung 12 sind demnach funktional identisch und die Schaltung 12 realisiert insgesamt die Funktion eines der in allen Parallelzweigen platzierten Halbleiterbauelemente 10. Die Parallelschaltung der Halbleiterbauelemente 10 bewirkt eine Redundanz der Halbleiterbauelemente 10. Im Falle eines Defekts eines der Halbleiterbauelemente 10 derart, dass das Halbleiterbauelement 10 leitend wird und seine eigentliche Funktion verliert, fließt dauerhaft ein Strom, zum Beispiel ein Kurzschlussstrom, durch den jeweiligen Parallelzweig 14 mit dem defekten Halbleiterbauelement 10. Bei einer entspre¬ chenden Stromstärke, also zumindest bei einem Kurzschluss¬ strom, führt dies zu einer Auslösung der Sicherung 16 in dem jeweiligen Parallelzweig 14. Damit ist der Parallelzweig 14 elektrisch aufgetrennt und in der Schaltung 12 funktionslos. Das defekte Halbleiterbauelement 10 wird also automatisch von der Schaltung 12 getrennt. Mit dem Ansprechen (Durchbrennen) der Sicherung 16 wird der kurzzeitig fließende Strom/Kurzschlussstrom unmittelbar unterbrochen. Danach teilt sich der durch die Schaltung 12 fließende Strom auf die verbleibenden Parallelzweige 14 auf. Aufgrund der funktionalen Identität aller Parallelzweige 14 bleibt auch nach dem Ausfall eines Halbleiterbauelements 10 oder ggf. mehrerer Halbleiterbauele¬ mente 10 die Funktionalität der Schaltung 12 erhalten.
Die resultierende Schaltung 12 kann - zum Beispiel bei IGBTs als Halbleiterbauelementen 10 - als redundanter IGBT oder als redundanter IGBT mit erhöhter Ausfallsicherheit bezeichnet werden. Die Funktion der Schaltung 12 insgesamt ist identisch mit der Funktion jedes von den zumindest zwei Parallelzweigen 14 umfassten einzelnen Halbleiterbauelements 10, so dass die Schaltung 12 insgesamt wie ein einzelner IGBT fungiert. Indem diese Funktion der Schaltung 12 auch bei einem Defekt eines der parallel geschalteten Halbleiterbauelemente 10 oder ggf. mehrerer derartiger Halbleiterbauelemente 10 erhalten bleibt, ist die erhöhte Ausfallsicherheit gewährleistet. Die Darstellungen in FIG 3, FIG 4 und FIG 5 zeigen, dass es auf die Art des jeweiligen Halbleiterbauelements 10 nicht an¬ kommt, solange sich in allen Parallelzweigen 14 gleiche Halbleiterbauelemente 10, speziell auch hinsichtlich ihrer jewei¬ ligen Strombelastbarkeit gleiche oder zumindest im Rahmen üb- licher Toleranzen gleiche Halbleiterbauelemente 10, befinden.
In der Darstellung in FIG 3 sind insofern - nach dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 und FIG 2 und den dortigen IGBTs (IGBT1, IGBT2 bzw. IGBT1, IGBT2 .. IGBTn) - Dioden (HL1, HL2 .. HLn) als ein weiteres Beispiel für nach dem hier vorge¬ schlagenen Ansatz redundierbare Halbleiterbauelemente 10 ge¬ zeigt. Die Darstellung in FIG 4 zeigt schließlich ein symbolisch in Form eines konventionellen Schalters dargestelltes schaltbares Halbleiterbauelement 10 (HL1, H2 .. HLn), um die Anwendbarkeit des hier vorgeschlagenen Ansatzes für grund¬ sätzlich beliebige Halbleiterbauelemente 10 und ausdrücklich auch für eine redundante Ausführung von nicht zur Verwendung im Bereich der Leistungselektronik vorgesehenen Halbleiterbauelementen 10 nochmals zu unterstreichen. Des Weiteren kommt es - wie die Darstellung in FIG 5 veranschaulicht - auch nicht darauf an, wie die Serienschaltung jeweils eines (schaltbaren oder nicht schaltbaren) Halbleiterbauelements 10 (HL1, H2 .. HLn) und jeweils einer Sicherung 16 (Fl, F2 .. Fn) in den einzelnen Parallelzweigen 14 realisiert ist. In den Darstellungen in den Figuren 1 bis 4 war eine Platzierung der Sicherungen 16 an einem oberen Kontaktpunkt des jeweiligen Halbleiterbauelementes 10 gezeigt. Die Darstellung in FIG 5 zeigt eine alternative und gleichwertige Ausführungs- form mit am unteren Kontaktpunkt der Halbleiterbauelemente 10 platzierten Sicherungen 16.
Die Darstellung in FIG 6 zeigt eine Halbbrückenschaltung (Halbbrücke) 30, wie sie zum Beispiel in einer Ausgangsstufe eines Umrichters zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine ver¬ wendbar ist. Die gezeigte Halbbrücke 30 umfasst zwei Schal¬ tungen 12 gemäß FIG 1 mit jeweils zwei IGBTs (IGBT1, IGBT2; IGBT3, IGBT4) . Grundsätzlich kommen für jede Schaltung 12 ge- mäß FIG 2, FIG 4 und FIG 5 auch mehr als jeweils zwei IGBTs in Betracht. Jede der zwei Schaltungen 12 wird im Folgenden kurz als redundanter IGBT bezeichnet.
Bei der in FIG 6 gezeigten Situation wird davon ausgegangen (linke Seite der Darstellung) , dass in dem oberen redundanten IGBT einer der beiden IGBTs, hier der IGBT mit der Bezeichnung IGBT2, ausfällt und dauerhaft leitend wird. Sobald da¬ raufhin ausschließlich der untere redundante IGBT aufgrund einer Ansteuerung an dessen Gateeingang 20 eingeschaltet wird, fließt aufgrund der anliegenden Zwischenkreisspannung UDc ein hoher Kurzschlussstrom iKs durch den oberen redundan¬ ten IGBT und durch den unteren redundanten IGBT. Im oberen redundanten IGBT wird der gesamte Kurzschlussstrom iKs über das dortige defekte Halbleiterbauelement 10 (IGBT2) und die damit in Serie geschaltete Sicherung 16 (F2) fließen. Der
Kurzschlussstrom iKs löst diese Sicherung 16 (F2) aus. Im un¬ teren redundanten IGBT teilt sich der Kurzschlussstrom iKs auf die hier zwei Parallelzweige 14 auf und die dortigen Si¬ cherungen 16 (F3, F4) lösen nicht aus. Nachdem die Sicherung 16 (F2) in genau dem Parallelzweig 14 mit dem defekten Halb¬ leiterbauelement 10 (IGBT2) ausgelöst hat, ist das defekte Halbleiterbauelement 10 (IGBT2) von der restlichen Schaltung 12, 30 getrennt, wie dies auf der rechten Seite der Darstel¬ lung in FIG 6 gezeigt ist. Der weitere Betrieb der Halbbrü- ckenschaltung 30 ist damit trotz des ausgefallenen Halbleiterbauelements 10 noch möglich. Als Sicherung oder Sicherungen 16 kommt bzw. kommen bei allen hier beschriebenen Ausführungsformen geeignet dimensionierte, zur Kontaktierung des jeweiligen Halbleiterbauelements 10 be¬ stimmte Bonddrähte (nicht separat gezeigt) oder sonstige Lei- terbahnen in Betracht. Die Verwendung eines Bonddrahts oder einer sonstigen Leiterbahn wird im Folgenden - aber ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit - am Bei¬ spiel eines Bonddrahts beschrieben. Ein solcher Bonddraht fungiert bei einer entsprechenden Stromstärke wie der
Schmelzleiter einer Schmelzsicherung. Entsprechend brennt dieser bei einem Strom oberhalb eines durch die Dimensionie¬ rung und die Materialeigenschaften des Bonddrahts bestimmten Schwellwerts durch und trennt damit den jeweiligen Parallel¬ zweig 14 mit dem angeschlossenen (in Serie geschalteten) Halbleiterbauelement 10 auf und im Ergebnis das Halbleiter¬ bauelement 10 aus der jeweiligen Gesamtschaltung. Damit ist dieselbe Funktion wie bei einer Schmelzsicherung erreicht.
Die Darstellung in FIG 7 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung 12 gemäß FIG 1 mit einer integrierten Strom- und
Spannungsmessung. Anstelle von zwei Parallelzweigen 14 kommen auch mehr als zwei Parallelzweige 14 und anstellte von IGBTs kommen auch andere Halbleiterbauelemente 10 in Betracht. Bei einem Ausfall eines der redundanten Halbleiterbauelemente 10 ändert sich das Klemmenverhalten der Schaltung 12, zum Beispiel in Form eines Zusammenbrechens der Spannung zwischen dem Kollektoranschluss 22 und dem Emitteranschluss 24 bis zum Auslösen der jeweiligen Sicherung 16. Wenn die Spannung zwischen dem Kollektoranschluss 22 und dem Emitteranschluss 24 (oder allgemein die Klemmenspannung) sowie der Strom am Kollektoranschluss 22 (oder allgemein der Klemmenstrom) bekannt sind und zum Beispiel mittels einer auch als Überwachungseinrichtung fungierenden Treiberschaltung 32 mit jeweils aufgenommenen Messwerten (in der Darstellung durch entsprechende Messeinrichtungen, nämlich einen Spannungsmesser und einen
Strommesser, veranschaulicht) verglichen werden, kann automatisch bestimmt werden, ob eines der redundanten Halbleiterbauelemente 10 ausgefallen ist. Eine Kombination der Funktionalität zur Ansteuerung eines redundanten IGBTs sowie zur Überwachung der davon umfassten IGBTs und entsprechend die Verwendung einer Treiberschaltung 32 auch als Überwachungseinrichtung ist vorteilhaft, weil der Treiberschaltung 32 die oben genannten Messwerte üblicherweise ohnehin vorliegen, so dass nur ein minimaler Aufwand zu deren Überwachung der Messwerte in Relation zu jeweils erwarteten Werten (Erwartungswerte) erforderlich ist. Zudem liegen der Treiberschaltung 32 die SchaltZeitpunkte und damit die
Zeiten, in denen die Spannung zwischen dem Kollektoranschluss 22 und dem Emitteranschluss 24 ohnehin aufgrund einer ent¬ sprechenden Ansteuerung verschwindet oder im Wesentlichen verschwindet, vor, so dass die Überwachung ohne besonderen zusätzlichen Aufwand außerhalb der Aktivierungszeiten erfolgen kann. Die Treiberschaltung 32 oder eine sonstige Überwachungseinrichtung geben in Abhängigkeit vom Ergebnis des jeweiligen Vergleichs ein Ausgangssignal 34 aus, das einen eventuellen Defekt eines von der jeweils zugehörigen Schal- tung 12 umfassten Halbleiterbauelements 10 anzeigt. Aufgrund eines solchen Ausgangssignals 34 kann ein Anzeigeelement, zum Beispiel eine Leuchtdiode (nicht gezeigt) , angesteuert wer¬ den. Aufgrund der Überwachung kann zeitnah ein Austausch einer von einem Defekt eines Halbleiterbauelements 10 oder meh- rerer Halbleiterbauelemente 10 betroffenen Schaltung 12 erfolgen. Bis dahin ist die weitere Funktionalität der Schal¬ tung 12 aufgrund der davon umfassten redundanten Halbleiterbauelemente 10 jedenfalls gewährleistet. Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereich¬ ten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Vorgeschlagen wird eine Schaltung 12, die in zumin- dest zwei Parallelzweigen 14 jeweils gleiche Halbleiterbau¬ elemente 10 und jeweils eine damit in Serie geschaltete Si¬ cherung 16 umfasst. Die resultierende Schaltung 12 realisiert die Funktionalität der parallel geschalteten Halbleiterbau- elemente 10. Ein Defekt eines der Halbleiterbauelemente 10 kann bei einem dann fließenden Strom zum Auslösen der mit dem defekten Halbleiterbauelement 10 in Serie geschalteten Siche¬ rung 16 führen. Mit dem Auslösen der Sicherung 16 wird das defekte Halbleiterbauelement 10 aus der Schaltung 12 getrennt und die Funktion der Schaltung 12 bleibt mit dem oder den verbleibenden Parallelzweig (en) 14 erhalten. Die Schaltung 12 kommt zur Verwendung in vielfältigster Form in Betracht. Neben der dargestellten speziellen Ausführungsform einer Verwendung in einer Halbbrücke 30 oder einem Umrichter mit meh- reren solchen Halbbrücken 30 kommt zum Beispiel auch eine Verwendung in einem sogenannten Inverswandler (Buck-Boost Converter) oder in einem Hochsetzsteller (Boost-Converter) in Betracht, wo eine Schaltung 12 mit mehreren schaltbaren Halbleiterbauelementen 10 an die Stelle eines üblicherweise dort jeweils vorgesehenen einfachen elektronischen Schalters tritt .
Bezugs zeichenliste
10 Leistungshalbleiter / Halbleiterbauelement
12 Leistungselektronikschaltung / Schaltung
14 Parallelzweig
16 Sicherung
18 ( frei )
20 Gateanschluss
22 Kollektoranschluss
24 Emitteranschluss
26 ( frei )
28 ( frei )
30 Halbbrückenschaltung / Halbbrücke
32 Treiberschaltung
34 Ausgangssignal

Claims

Patentansprüche
1. Redundante Leistungselektronikschaltung (12) in Form einer Parallelschaltung von zumindest zwei gleichen oder zumindest gleichartigen Leistungshalbleitern (10), wobei in Reihe zu jedem Leistungshalbleiter (10) eine Sicherung (16) geschaltet ist .
2. Redundante Leistungselektronikschaltung (12) nach Anspruch 1, mit Leistungshalbleitern (10) in Form von IGBTs oder
MOSFETs .
3. Redundante Leistungselektronikschaltung (12) nach Anspruch 2, wobei jeder IGBT bzw. MOSFET einen Gateanschluss , einen Kollektoranschluss und einen Emitteranschluss aufweist, wobei im Rahmen der Parallelschaltung einerseits die Kollektoranschlüsse und andererseits die Emitteranschlüsse zu einem ge¬ meinsamen Kollektor- bzw. Emitteranschluss (22, 24) der redundanten Leistungselektronikschaltung (12) zusammengeführt sind und andererseits die Gateanschlüsse zu einem gemeinsamen Gateanschluss (20) der redundanten Leistungselektronikschal¬ tung (12) zusammengeführt sind.
4. Redundante Leistungselektronikschaltung (12) nach Anspruch 2 oder 3, mit einer Stromtragfähigkeit jedes einzelnen von der Parallelschaltung umfassten IGBTs oder MOSFETs derart, dass bei einem Defekt eines IGBTs oder MOSFETs oder mehr als eines IGBTs oder MOSFETs der verbleibende IGBT oder MOSFET oder die verbleibenden IGBTs oder MOSFETs eine für einen er- warteten Laststrom ausreichende Stromtragfähigkeit aufweist bzw. aufweisen.
5. Redundante Leistungselektronikschaltung (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Bonddraht als Siche- rung (16) fungiert.
6. Redundante Leistungselektronikschaltung (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Überwachungseinrich- tung (32) und Mitteln zur Erfassung einer Klemmenspannung sowie eines Klemmenstroms der Leistungselektronikschaltung (12), wobei mittels der Überwachungseinrichtung (32) Messwerte zur Klemmenspannung und zum Klemmenstrom mit vorgegebenen oder vorgebbaren Erwartungswerten vergleichbar sind und wobei im Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssig¬ nal (34) ausgebbar ist.
7. Umrichter mit zumindest einer redundanten Leistungselek- tronikschaltung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Umrichter mit zumindest einer Halbbrückenschaltung (30) und zwei in der oder jeder Halbbrückenschaltung (30) in Serie geschalteten Leistungselektronikschaltungen (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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