DE102015103247A1

DE102015103247A1 - Schaltmodul mit Kurzschlussschutz und Leistungselektronikmodul mit diesem

Info

Publication number: DE102015103247A1
Application number: DE102015103247.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brückner; Roland Jakob
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-09-08
Also published as: BR102016004881A2; CN105939152A; EP3065297A1; US10263506B2; US20160261180A1; EP3065297B1; BR102016004881B1; CA2921936A1; CN105939152B

Abstract

Es ist ein Schaltmodul (11) geschaffen, das ein Gehäuse (25) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss (18, 19) und wenigstens einem Steueranschluss (21), mehrere Schalterelemente (17a–m), die im Innern des Gehäuses (25) angeordnet, parallel zueinander angeschlossen und über ihre Steuerelektroden (24) ansteuerbar sind, und eine Fehlerschutzeinrichtung (26) aufweist, die zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss (21) und den Schalterelementen (17a–m) wirksam eingefügt ist. Die Fehlerschutzeinrichtung (26) weist passive elektrische Bauelemente (34; 41; 42; 43) auf, die derart bemessen sind, dass im Falle eines Ausfalls eines oder mehrerer Schalterelemente (17a–m) eine vorgegebene Ansteuerung an dem wenigstens einen Steueranschluss (21) in rein passiver Weise an den Steuerelektroden (24) aller anderen fehlerfreien Schalterelemente (17a–m) ein Ansteuersignal erzeugt, das ausreicht, um diese fehlerfreien Schalterelemente (17a–m) leitend zu schalten oder zu halten. Ein Leistungselektronikmodul (9) mit wenigstens einem derartigen Schaltmodul (11) und mit einer dem wenigstens einen Schaltmodul (11) zugeordneten Ansteuereinheit (14) ist ebenfalls geschaffen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltmodul mit Kurzschlussschutz und ein Leistungselektronikmodul mit diesem.
Schaltmodule mit Leistungshalbleitern werden bspw. für Stromrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt und für viele andere Anwendungen verwendet. Das Schaltmodul stellt ein ansteuerbares Bauteil dar, dessen Zustand durch ein Ansteuerungssignal zwischen einem leitenden Zustand und einem Sperrzustand gewechselt werden kann. Für Hochleistungsanwendungen, wie bspw. Hochspannungs-Gleichstrom-(HVDC-)Anwendungen, in vielen mehrstufigen Stromrichtertopologien, etc., werden oft mehrere Schaltmodule in Reihe zueinander geschaltet, um Hochspannungsanwendungen zu gestatten und weitestgehend sinusförmige Spannungen erzeugen zu können. Auch Redundanzanforderungen, nach denen die Funktion eines Gerätes auch im Falle eines Ausfalls eines oder mehrerer Schaltmodule sichergestellt werden muss, können die Verwendung von zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Schaltmodulen erfordern.
Es ist wichtig, dass ein ausgefallenes Schaltmodul die nicht fehlerhaften Schaltmodule und Leistungselektronikmodule oder sogar ein Gerät insgesamt, wie bspw. einen Stromrichter, in ihrer Funktion möglichst nicht beeinflusst. Insofern ist es erwünscht, dass in einer Reihe von Schaltmodulen ein ausgefallenes Schaltmodul in einen Kurzschlussfehlermodus gesetzt werden kann, in dem es kontinuierlich leitet, damit der Betrieb mit den anderen funktionsfähigen Schaltmodulen fortgesetzt werden kann. In vielen Schaltungstopologien, wie bspw. H-Brücken, Halbbrücken, etc., ist es ebenfalls nützlich, wenn ein Schaltmodul im Fehlermodus in einen leitenden Zustand versetzt wird, damit bspw. die beiden Wechselspannungsanschlüsse einer H-Brücke nach einem Fehler dauerhaft leitend miteinander verbunden werden können.
Ein Schaltmodul kann wiederum eine Anzahl von Leistungshalbleiterschaltern, wie bspw. IGBTs, MOSFETs oder dgl., enthalten, die parallel zueinander angeordnet sind und gemeinsam geschaltet werden. Dadurch kann die Stromlast auf mehrere Schalter verteilt werden, was einen Betrieb bei hohen Strömen und Leistungen ermöglicht. Eine Ansteuereinheit ist vorgesehen, um auf der Basis eines Steuersignals von einer übergeordneten Steuerung den Leistungshalbleiterschaltern eines Schaltmoduls ein geeignetes gemeinsames Ansteuersignal zuzuführen. Die Leistungshalbleiterschalter können innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, z.B. eines Druckkontaktgehäuses (sog. Press-Pack-Gehäuses), untergebracht sein. In dem Gehäuse können auch weitere Bauelemente, wie bspw. Symmetriewiderstände im Ansteuerkreis vorgesehen sein, um eine Symmetrierung zu erreichen und bei externer Ansteuerung eine möglichst gleichzeitige, gleichmäßige Schaltung aller Leistungshalbleiter zu erreichen. Die Ansteuereinheit ist meist außerhalb des Schaltmodulgehäuses angeordnet und an einen herausgeführten Steueranschluss des Schaltmoduls angeschlossen.
Wenn einer der parallel geschalteten Leistungshalbleiterchips, bspw. IGBT-Schalter, innerhalb des Schaltmoduls einen internen Kurzschluss zwischen seiner Kollektor-Elektrode und seiner Emitter-Elektrode erleidet und dadurch ausfällt und zerstört wird, führt dies im Allgemeinen auch zu einem Kurzschluss zwischen der Gate- bzw. Steuerelektrode des Schalterelementes und seiner Emitter-Elektrode. Der Gate-Emitter-Kurzschluss des ausgefallenen Schalters schließt aufgrund der Parallelschaltung auch die Gate-Elektroden der anderen, funktionsfähigen Schalterelemente gegen die Emitter-Elektrode kurz und verhindert, dass diese Gate-Elektroden eine hinreichende Spannung aufrechterhalten, um in einem leitenden Zustand zu verbleiben oder in diesen versetzt zu werden. Dadurch wird eine Ansteuerung der funktionsfähigen Schalterelemente über die Gate-Steuerelektroden unmöglich.
Unter dem Ausfall eines Leistungshalbleiterschalterelementes soll nachfolgend ein Fehler verstanden, der einen Kurzschluss der Steuer- oder Gate-Elektrode zu einer anderen Elektrode, insbesondere der Emitter-Elektrode, des Leistungshalbleiterschalterelementes zur Folge hat.
Das ausgefallene Schalterelement wiederum muss in diesem Stadium den vollständigen Laststrom führen und bewältigen. Die Strombelastung des ausgefallenen Schalterelementes mit dem Nennstrom des Schaltmoduls oder eventuelle Überströme und damit verbundene übermäßige Erwärmungen können dann zur Zerstörung des Schaltmoduls und auch zur Beschädigung der Ansteuereinheit und anderer Systemkomponenten führen. Außerdem können Störlichtbögen entstehen, die einen Ausfall weiterer Komponenten, eine Explosion von Bauteilen oder einen Brand zur Folge haben können. Dies sollte verhindert werden. Ferner sollte ein langfristiger niederohmiger Stromweg durch das fehlerhafte Schaltmodul errichtet werden, um die weitere Funktionsfähigkeit eines Leistungselektronikmoduls sicherzustellen.
Um eine explosionsbedingte mechanische Zerstörung der Vorrichtungen zu vermeiden, sind explosionsgeschützte Vorrichtungen oder explosionsgeschützte Metallgehäuse um die Halbleiter herum verwendet worden, was jedoch aufwendig und kostspielig ist. Es sind auch komplexe ultraschnelle explosionsgetriebene mechanische Bypassschalter für Stromrichterzellen verwendet worden. Noch weiter sind Leistungshalbleiterschalter entwickelt worden, die einen stabilen Kurzschlussfehlermodus (SCFM, Short Circuit Failure Mode) im Falle eines IGBT-Ausfalls aufweisen. Die SCFM-Fähigkeit wird erreicht, indem eine Metallplatte auf der Oberseite des IGBT-Chips eines Leistungsmoduls platziert wird (siehe z.B. EP 0 989 611 B1 ). Ein Fehler, der zu einem Durchbruch führt und anschließend die Metallplatte und den Siliziumchip aufschmilzt, bildet dann eine leitfähige Metall-Silizium-Legierung, die einen niederohmigen Strompfad durch das Modul ermöglicht. Wenn aufgrund der Materialoxidation der elektrische Widerstand des beschädigten IGBT-Chips steigt, wird ein weiterer elektrisch parallel geschalteter Chip beschädigt, und er schmilzt und bildet die nächste niederohmige Legierung. Derartige SCFM-Übergänge werden fortgeführt, bis alle Chips aufgebraucht worden sind. Trotz hoher Komplexität kann ein dauerhafter stabiler Kurschlussfehlermodus nicht sichergestellt werden.
WO 2006/1004430 A1 beschreibt ein Stromrichterventil und ein Steuerungsverfahren für dieses, die mehrere parallel geschaltete Halbleiterelemente verwenden, wobei jedem Halbleiterelement eine gesonderte Ansteuereinheit zugeordnet ist. Ein Fehler eines einzelnen Halbleiterelementes wird durch eine Strommessung erfasst, und die anderen, fehlerfreien Halbleiterelemente werden daraufhin gezielt durch ihre zugehörigen Ansteuereinheiten eingeschaltet, um einen leitenden Zustand des Stromrichterventils zu schaffen. Der Kurzschlussschutz wird mit hohem Schaltungs- und Steuerungsaufwand erkauft.
WO 2013/139373 A1 schlägt ein Schaltmodul mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, einem Steueranschluss, mehreren Schalterelementen, die parallel zueinander zwischen dem ersten Anschluss, dem zweiten Anschluss und dem Steueranschluss angeschlossen sind, Schmelzsicherungselementen, die jeweils zwischen jeder einzelnen der Steuerelektroden der mehreren Schalterelemente und dem Steueranschluss vorgesehen sind, und einem Bypassschalter, der zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist, vor. Wenn ein Kurzschlussfehler eines Schalterelementes erfasst wird, wird der Bypassschalter angesteuert und geschlossen, um einen Teil des durch das kurzgeschlossene Schalterelement fließenden Laststroms abzuzweigen und über die zugehörige Schmelzsicherung, einen Bypasswiderstand und den Bypassschalter zu dem zweiten Anschluss der Schalterelemente zu führen, um die Schmelzsicherung zu schmelzen. Sobald die Schmelzsicherung geschmolzen ist, ist die Steuerleitung zu dem ausgefallenen Schalterelement unterbrochen, so dass die restlichen Schalter funktionsfähig bleiben. Jedoch erfordert diese Lösung einen zusätzlichen aktiven Schalter innerhalb des Schaltmoduls und eine aktive Logik zur Ansteuerung dieses zusätzlichen aktiven Schalters im Fehlerfalle.
Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Schaltmodul mit mehreren parallelen Leistungshalbleiterschaltern zu schaffen, das in der Lage ist, nach einem Ausfall eines oder einzelner Leistungshalbleiterschalterelemente eine zumindest beschränkte Steuerbarkeit aller oder eines Teils der verbleibenden fehlerfreien Schalterelemente zu erreichen, um einen dauerhaften leitenden Zustand des Schaltmoduls zu ermöglichen, um so die Gefahr einer Explosion zu reduzieren und einen stabilen niederohmigen Strompfad durch das fehlerhafte Schaltmodul zu schaffen. Dies mit möglichst einfachen Mitteln und bei einfachem Aufbau, die einen geringen Aufwand und geringe Kosten bei der Herstellung und im Betrieb nach sich ziehen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungselektronikmodul mit einem derartigen Schaltmodul zu schaffen, das sich insbesondere für Hochleistungsanwendungen eignet.
Diese Aufgabe wird durch ein Schaltmodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und ein Leistungselektronikmodul nach Anspruch 15 gelöst.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Schaltmodul geschaffen, das einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und wenigstens einen Steueranschluss, mehrere Schalterelemente, die parallel zueinander angeschlossen sind, und eine Fehlerschutzeinrichtung aufweist. Die mehreren Schalterelemente sind jeweils mit einer ersten Elektrode an den ersten Anschluss, mit einer zweiten Elektrode an den zweiten Anschluss und mit einer Steuerelektrode an den wenigstens einen Steueranschluss angeschlossen. Die Fehlerschutzeinrichtung ist zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss und den Schalterelementen wirksam eingefügt. Die Fehlerschutzeinrichtung weist passive elektrische Bauelemente auf, die derart bemessen sind, dass im Falle eines Ausfalls wenigstens eines der mehreren Schalterelemente eine vorgegebene Ansteuerung an dem wenigstens einen Steueranschluss in rein passiver Weise an den Steuerelektroden aller anderen fehlerfreien Schalterelemente ein Ansteuersignal erzeugt, das ausreicht, um diese Schalterelemente leitend zu schalten oder zu halten.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass im Falle eines Fehlers eines Schalterelementes des Schaltmoduls zunächst nicht alle parallel geschalteten Schalterelemente davon beeinflusst sind, sondern lediglich ein einzelnes oder ein paar wenige. Die Fehlerschutzeinrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es, automatisch, in rein passiver Weise nur mittels passiver Bauelemente die nicht fehlerbehafteten Schalterelemente zu steuern, also einzuschalten oder eingeschaltet zu lassen, bevor diese infolge des Kurschlussfehlers des ausgefallenen Schalterelementes durch Überströme, Hitzebildung, Störlichtbögen oder dgl. beschädigt oder zerstört werden. Dies wird automatisch, in rein passiver Weise, also ohne irgendeine zusätzliche aktive Logik, aktive Steuerung oder aktive Schalter, ohne zusätzliche aktive Zu- oder Umschaltung von Strompfaden oder sonstige Zusatzmaßnahmen erreicht. Hierzu reicht eine geeignet entworfene Schaltungsanordnung nur mit passiven elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen, die geeignet bemessen sind, aus. Die funktionsfähigen Schalterelemente bleiben somit steuerbar und im leitenden Zustand, so dass ein stabiler niederohmiger Strompfad durch das Schaltmodul geschaffen wird und die Gefahr einer Explosion und Beschädigung von Bauteilen vermieden oder zumindest reduziert wird.
Die Schalterelemente sind vorzugsweise aus der Gruppe der spannungsgesteuerten Bauelemente ausgewählt, zu der insbesondere IGBTs, BIGTs, MOSFETs und JFETs gehören. IGBTs werden aufgrund ihrer nahezu leistungslosen Ansteuerbarkeit, hohen Sperrspannung und Robustheit gegenüber Kurzschlüssen und ihrer Eignung, in Reihe und/oder parallel geschaltet zu werden, bevorzugt.
Das Schaltmodul kann ein gemeinsames Gehäuse aufweisen, in dem alle Schalterelemente untergebracht sind, wobei der erste und der zweite Anschluss und der wenigstens eine Steueranschluss aus dem Gehäuse nach außen herausgeführt sind. Das Gehäuse kann insbesondere ein Druckkontaktgehäuse (sog. Press-Pack-Gehäuse) sein, bei dem die Leistungshalbleiterschalterchips zwischen Druckkontaktplatten dichtend verpresst werden. In einem Fehlerfall bspw. eines IGBT-Chips mit Kollektor-Emitter- und folgendem Gate-Emitter-Kurzschluss des Chips wird durch die Druckkontaktierung der Chips der Kollektor-Emitter-Kurzschluss zumindest mittelfristig, d.h. zumindest im Bereich von Stunden oder Tagen, sichergestellt. Langfristig kann es zur Abnutzung des Kurzschlusses kommen. Die Fehlerschutzeinrichtung ist hier in der Lage, den Kurzschluss langfristig, über Monate oder sogar Jahre hinweg, zu sichern. Das Gehäuse kann auch ein Modulgehäuse eines Moduls, bei dem die Chips gebondet sind, sein. Im Fehlerfall können die Bonddrähte des fehlerhaften Chips den nun dort konzentrierten Strom oft nicht dauerhaft tragen und können sich vom Chip abheben, was zur Explosion führen kann. Dieser Prozess kann innerhalb von Sekunden-Bruchteilen ablaufen. Die Fehlerschutzeinrichtung mit ihren passiven Schutznetzwerken ist hier in der Lage, sofort, weitgehend verzögerungsfrei zu wirken, um die anderen fehlerfreien Schalterelemente leitend zu schalten oder zu halten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fehlerschutzeinrichtung eine Schaltungsanordnung mit den passiven Bauelementen, die die Fehlerschutzfunktionalität erzielen, auf, wobei die Schaltungsanordnung zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss und den Steuerelektroden der Schalterelemente angeordnet ist. Alternativ können wenigstens einige Bauteile der Schaltungsanordnung auch zwischen dem zweiten Anschluss der Schalterelemente, z.B. dem Emitteranschluss eines IGBT-Schalters, und der zugehörigen zweiten Elektrode, z.B. der Emitter-Elektrode, angeordnet sein.
Die Fehlerschutzeinrichtung bzw. Schaltungsanordnung kann eine Widerstandsmatrix mit an jeder Steuerelektrode angeschlossenen ersten Widerständen aufweisen. Diese ersten Widerstände können im normalen Betrieb als Symmetrierwiderstände zur Sicherstellung einer gleichzeitigen, gleichmäßigen Schaltung der Schalterelemente bei Ansteuerung durch eine gemeinsame Ansteuereinheit vorgesehen sein. Durch eine geeignete Bemessung können diese Widerstände der Widerstandsmatrix zusätzlich die Fehlerschutzfunktionalität erfüllen.
Insbesondere kann die Widerstandsmatrix derart ausgelegt sein, dass für eine gegebene Ansteuerspannung, die durch eine Ansteuereinheit über einen externen Ansteuerungswiderstand an den wenigstens einen Steueranschluss angelegt wird, die resultierende Spannung an der Steuerelektrode der fehlerfreien Schalterelemente größer ist als die Einschaltschwellenspannung der Schalterelemente, um diese sicher leitend zu schalten bzw. zu halten.
In einer Ausführungsform sind die ersten Widerstände der Widerstandsmatrix jeweils direkt zwischen einer Steuerelektrode eines jeweiligen Schalterelementes und dem wenigstens einen Steueranschluss angeschlossen, wobei sie bspw. auf den Halbleiterchips oder außerhalb derer, jedoch im Inneren des gemeinsamen Gehäuses angeordnet sein können. Die ersten Widerstände, z.B. R₁₁, R₁₂, ..., R_1m weisen vorzugsweise einen im Wesentlichen gleichen elektrischen Widerstand R_int = R₁₁ = R₁₂ = ... = R_1m auf. Unter der Annahme eines ausgefallenen Schaltelementes bzw. Chips kann die Kurzschlussfunktionalität dann erzielt werden, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: R_int > R_tot/(V_G-on/V_GE-th – (m – 1)/m), wobei R_tot der gesamte effektive Ansteuerungswiderstand, z.B. der Gate-Widerstand im Falle eines IGBT-Schalters, für das Schaltmodul im normalen Betrieb ist, der beträgt: R_tot = R_G + R_int/m, wobei R_G ein Ansteuerungswiderstand einer Ansteuereinheit ist, V_G-on die Ansteuerungsspannung der Ansteuereinheit ist, V_GE-th die Einschaltschwellenspannung der Schalterelemente bzw. Halbleiterchips ist und m die Gesamtanzahl der Schalterelemente bzw. Chips des Schaltmoduls in dem Gehäuse ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Widerstandsmatrix ferner weitere, zweite Widerstände auf, die jeweils zwischen den ersten Widerständen und dem wenigstens einen Steueranschluss, z.B. Gate-Anschluss, angeschlossen sind, wobei ein weiterer Widerstand in Reihe mit einem ersten Widerstand verbunden ist oder mit mehreren ersten Widerständen verbunden sein kann, um eine Gruppe von Schalterelementen zu bilden. Die ersten Widerstände können auf dem gemeinsamen Substrat des Chips angeordnet sein, während die weiteren Widerstände außerhalb der Chips, aber im Inneren des gemeinsamen Gehäuses angeordnet sein können.
Das Schaltmodul der zuletzt genannten Art kann insbesondere derart eingerichtet sein, dass bei einem Ausfall eines jten Schalterelementes, dem der erste Widerstand R_1j der Widerstandsmatrix und der in Reihe zu diesem geschaltete weitere Widerstand R_2i zugeordnet sind, für die an den wenigstens einen Steueranschluss des Schaltmoduls anzulegende Ansteuerspannung zur Leitendmachung der fehlerfreien Schalterelemente die folgende Bedingung zu erfüllen ist: V_G-on > V_GE-th × (R_G + R_2i + R_1j)/(R_2i + R_1j) wobei V_GE-th die Einschaltschwellenspannung der Schalterelemente bzw. Chips ist und R_G ein externer Ansteuerungswiderstand einer externen Ansteuereinheit ist.
In einer Ausführungsform weist das Schaltmodul einer beliebigen vorstehend erwähnten Art mit der Widerstandsmatrix eine Anzahl aus einem gemeinsamen Gehäuse gesondert herausgeführter Steueranschlüsse für jeweils einzelne Schalterelemente oder jeweils eine Gruppe von Schalterelementen auf, wobei die Anzahl wenigstens zwei beträgt. Die Steueranschlüsse sind vorgesehen, um mit einer Ansteuereinheit verbunden zu werden, die eine der Anzahl der herausgeführten Steueranschlüsse entsprechende Anzahl paralleler Ansteuerungsausgänge und Ansteuerwiderstände aufweist, deren elektrische Widerstände relativ höher als die der Widerstandsmatrix sind. Durch geeignete Bemessung kann sichergestellt werden, dass die Ansteuereinheit alle herausgeführten Steueranschlüsse gleichzeitig und unterschiedslos ansteuern kann, um im Ergebnis alle nicht defekten Chips bzw. Gruppen von Chips mit hinreichendem Einschaltsignal zu versorgen, um diese leitend zu schalten bzw. zu halten.
In einer weiteren Ausführungsform ist jedem Schalterelement bzw. einer jeden Gruppe von Schalterelementen eine Sicherung, z.B. eine Schmelzsicherung oder eine rücksetzbare Sicherung, die bspw. auf SMD-Basis ausgeführt sein können, zugeordnet, die zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss und der Steuerelektrode eines oder mehrerer Schalterelemente eingefügt und in Abhängigkeit von der Widerstandsmatrix und der anzulegenden Ansteuerspannung bemessen ist, um im Fehlerfalle auszulösen, um die kurzgeschlossene Steuerelektrode eines ausgefallenen Schalterelementes von dem zugehörigen Steueranschluss trennen, während die fehlerfreien Sicherungen nicht beeinflusst werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann jedem Schalterelement bzw. einer jeden Gruppe von Schalterelementen ein PTC-Widerstandselement (bzw. Kaltleiter) zugeordnet sein, das in der Steuerleitung zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss und der Steuerelektrode eines oder mehrerer Schalterelemente eingefügt und in Abhängigkeit von der Widerstandsmatrix und der anzulegenden Ansteuerspannung bemessen ist, um sich beim Ausfall des zugehörigen Schalterelementes zu erwärmen, um seinen elektrischen Widerstand zu vergrößern. Dadurch kann ein hoher Widerstand zwischen der Ansteuereinheit und der kurzgeschlossenen Steuerelektrode eingerichtet werden, der den Strom zu der kurzgeschlossenen Steuerelektrode im Wesentlichen blockiert und somit die Steuerung der nicht beeinflussten Schalterelemente über deren Steuerelektroden ermöglicht. Die PTC-Widerstände und/oder die Sicherungen können wahlweise auf den jeweiligen Chips mit integriert oder außerhalb der, jedoch innerhalb des gemeinsamen Gehäuses untergebracht sein.
In einer noch weiteren Ausführungsform ist jedem Schalterelement bzw. einer jeden Gruppe von Schalterelementen ein Reihenkondensator zugeordnet, der in Reihe zu einem oder mehreren zugehörigen Widerständen der Widerstandsmatrix in der Steuerleitung zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss und der Steuerelektrode eines oder mehrerer Schalterelemente eingefügt ist und zu dem ein hochohmiger Widerstand parallel geschaltet ist. Die Reihenkondensatoren können dazu verwendet werden, im Falle eines kurzschlussbehafteten Ausfalls eines Schalterelementes einen Gleichstrom zu der Steuerelektrode des ausgefallenen Schalterelementes zu blockieren, um diesen auszuschalten und die anderen fehlerfreien Schalterelemente einzuschalten. Die Kapazität der Reihenkondensatoren ist dabei derart bemessen, dass im normalen Betrieb keine unzulässige Abweichung der Steuerspannung unter den Schalterelementen herbeigeführt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Leistungselektronikmodul mit wenigstens einem Schaltmodul, wie vorstehend beschrieben, und mit einer dem Schaltmodul zugeordneten Ansteuereinheit geschaffen. Die Ansteuereinheit weist eine Energiequelle, wenigstens einen Ansteuerungsausgang, der mit dem wenigstens einen Steueranschluss des Schaltmoduls verbunden ist, einen Ansteuerungswiderstand und einen ansteuerbaren Schalter auf. Der Schalter kann zum Schließen angesteuert werden, um die Spannung bzw. den Strom der Energiequelle der Ansteuereinheit über den Ansteuerungswiderstand, den Ansteuerungsausgang, den wenigstens einen Steueranschluss des Schaltmoduls an die damit verbundenen Steuerelektroden der Schalterelemente anzulegen. Das Leistungselektronikmodul ist beispielsweise zum Aufbau mehrstufiger Stromrichter geeignet und weist vorteilhafterweise die erfindungsgemäße Kurzschlussschutzfunktionalität auf. Hinsichtlich der Weiterbildungen des Schaltmoduls des Leistungselektronikmoduls und der damit verbundenen Vorteile wird auf die vorstehende Beschreibung im Zusammenhang mit dem Schaltmodul verwiesen.
Die Ansteuereinheit des Leistungselektronikmoduls einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann eingerichtet sein, um einen Ausfall wenigstens eines der Schalterelemente zu erkennen und in Reaktion darauf das Einschaltsignal an den wenigstens einen Steueranschluss dauerhaft anzulegen oder angelegt zu lassen. Der Ausfall der Schalterelemente kann bspw. durch Überwachung der Ströme bzw. Spannungen der Schalterelemente oder des Schaltmoduls insgesamt erfolgen.
In einer Ausführungsform ist die Ansteuereinheit dazu eingerichtet, mit einem Schaltmodul zusammenzuwirken, das mehrere herausgeführte Steueranschlüsse aufweist. Hierzu weist die Ansteuereinheit mehrere parallel geschaltete Ansteuerungsausgänge mit zugehörigen Ansteuerungswiderständen auf, die mit den einzelnen Steueranschlüssen des zugehörigen Schaltmoduls verbunden werden. Die Ansteuereinheit ist ferner eingerichtet, um unabhängig davon, welches der Schalterelemente ausgefallen ist, das gleiche Ansteuersignal über alle Ansteuerungsausgänge an alle Steueranschlüsse des zugehörigen Schaltmoduls gleichzeitig anzulegen. Eine aktive Logik, aktive Schalter oder ähnliches, die notwendig sind, um eine Fehlerstelle zu erkennen und/oder zu isolieren und gezielt nur die funktionsfähigen Schalterelemente bzw. Chips einzuschalten, kann damit vermieden werden. Der Aufwand für die Fehlerschutzfunktion ist hier wie bei den vorgenannten Schutztechniken relativ gering. Die Schutztechniken können auch in Kombination miteinander verwendet werden.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung. Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, die beispielhafte, keinesfalls beschränkende Ausführungsformen der Erfindung zeigt, wobei gleiche Bezugszeichen in allen Figuren verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung eines Phasenzweiges eines beispielhaften Stromrichters zur Veranschaulichung einer Anwendung für ein erfindungsgemäßes Leistungselektronikmodul;
2 ein Leistungselektronikmodul nach 1 mit einer ersten Ausführungsform eines Schaltmoduls in vereinfachter, gegenüber 1 detaillierterer Ausführungsform;
3 ein Leistungselektronikmodul mit einem Schaltmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in einer stark vereinfachten Darstellung;
4 ein Schaltmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in einer stark vereinfachten Darstellung;
5 eine Abwandlung des Schaltmoduls nach 4, in einer stark vereinfachten Darstellung;
6 eine weitere Ausführungsform eines Schaltmoduls, in einer stark vereinfachten Darstellung; und
7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungselektronikmoduls mit einer weiter modifizierten Ausführungsform eines Schaltmoduls, in einer stark vereinfachten Darstellung.
1 zeigt in einer vereinfachten schematisierten Darstellung eine Schaltungsanordnung eines Phasenzweigs eines Hochspannungsstromrichters 1 zur Veranschaulichung einer beispielhaften Anwendung der Erfindung. Der Stromrichter 1 kann ein einphasiger Stromrichter, der eine eingangsseitige Gleichspannung in ausgangsseitige Wechselspannung wandelt, oder ein zwei- oder mehrphasiger Stromrichter sein, der dann entsprechend zwei oder mehrere der veranschaulichten Phasenzweige aufweist. Der Stromrichter 1 weist also für jede Phase eines bspw. mit ihm zu verbindenden Wechselspannungsnetzes ein Phasenmodul 2 auf, wobei jedes Phasenmodul über zwei Gleichspannungsanschlüsse 3, 4 und einen Wechselspannungsanschluss 6 verfügt. Zwischen jedem Gleichspannungsanschluss 3 bzw. 4 und jedem Wechselspannungsanschluss 6 erstrecken sich Phasenmodulzweige 7, 8, die jeweils aus einer Reihenschaltung von Submodulen 9 bestehen, die im nachfolgend auch als Leistungselektronikmodule bezeichnet werden. Alternativ könnte auch ein Phasenmodulzweig 7, 8 oder sogar der Stromrichter 1 insgesamt als ein Leistungselektronikmodul angesehen werden.
Jedes Submodul bzw. Leistungselektronikmodul 9 weist ein oder mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Schaltmodule 11 mit einem ansteuerbaren Schalter 12 auf, dem eine gegensinnige Freilaufdiode 13 parallel geschaltet sein kann. Jedes Leistungselektronikmodul 9 weist ferner eine oder mehrere Ansteuereinheiten 14 auf, die den zugehörigen Schalter 12 ansteuert, um ihn zu schließen bzw. leitend zu schalten oder ihn zu öffnen bzw. nicht leitend zu schalten. Die Ansteuereinheiten 14 werden wiederum von einer übergeordneten Steuereinrichtung 16 geeignet gesteuert, so dass durch geeignetes Schließen und Öffnen der Schalter 12 die Gleichspannung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 3, 4 nach einem vorgegebenen Schema, bspw. durch Pulsweitenmodulation, so getaktet wird, dass sich an dem Wechselspannungsanschluss 6, nach einer Filterung, die gewünschte sinusförmige Wechselspannung ergibt. Durch die Verwendung mehrerer Schaltmodule 11 pro Phasenmodulzweig lässt sich eine höhere geschaltete Ausgangsspannung erzielen.
Es versteht sich, dass der hier dargestellte Hochspannungs-Stromrichter 1 nur beispielhaft ist und dass zahlreiche andere Stromrichtertopologien existieren, bei denen die Erfindung Anwendung finden kann. Insbesondere ist die Erfindung dann anwendbar, wenn Leistungshalbleiter oder leistungshalbleiterbasierte Zellen, wie z.B. Halb- oder H-Brückenmodule, in Reihe als Teil einer komplexeren Schaltungsanordnung verwendet werden und bspw. Redundanzanforderungen es erfordern, dass die Funktion der Schaltung auch in dem Fall eines Ausfalls eines einzelnen Leistungshalbleiters oder einer einzelnen Leistungshalbleiterzelle sichergestellt werden muss.
Wenn bspw. ein Submodul 9 aus der Reihe von Submodulen eines Phasenmodulzweiges 7 oder 8 nach 1 ausfällt, sollte dieses möglichst in einen leitenden Kurzschlussfehlermodus versetzt werden, damit die Funktion des Stromrichters 1 auch durch die anderen funktionsfähigen Schaltmodule 11 bewerkstelligt werden kann. Insbesondere ist sicherzustellen, dass die funktionsfähigen Komponenten des Stromrichters 1 nicht durch irgendwelche explodierenden Teile beeinträchtigt werden, und es ist ein dauerhafter niederohmiger Stromweg durch das fehlerhafte Schaltmodul zu erzielen. Diese Anforderungen können durch ein Leistungselektronikmodul 9 bzw. Schaltmodul 11 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erfüllt werden, wie sie beispielhaft in stark vereinfachten Prinzipdarstellungen der 2 bis 7 veranschaulicht sind.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungselektronikmoduls 9, zu dem ein Schaltmodul 11 und eine Ansteuereinheit 14 gehören. Wie veranschaulicht, weist das Schaltmodul 11 mehrere parallel geschaltete Schalterelemente 17a, 17b, ... 17m auf, die parallel zueinander zwischen einem ersten Anschluss 18, einem zweiten Anschluss 19 und einem Steueranschluss 21 angeschlossen sind. Das Schaltmodul 11 kann eine beliebige Anzahl von wenigstens zwei zueinander parallel angeordneten Schalterelementen 17 aufweisen.
Jedes Schalterelement 17a–m ist vorzugsweise durch einen Halbleiterchip gebildet, der einen IGBT, einen Leistungs-MOSFET oder einen ähnlichen ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter darstellt, der in der Lage ist durch Ansteuerung in einen leitenden und einen nicht leitenden bzw. sperrenden Zustand versetzt zu werden. In den Zeichnungen sind zur Erleichterung der nachfolgenden Beschreibung IGBT-Schalter als die Schalterelemente 17a–m dargestellt (wobei die zugehörigen Freilaufdioden der Übersichtlichkeit wegen weggelassen sind), so dass in der nachfolgenden Beschreibung die Terminologie im Zusammenhang mit IGBTs verwendet wird. Somit wird der Steueranschluss z.B. als der Gate-Anschluss bezeichnet, und der erste bzw. zweite Anschluss wird als der Kollektor- bzw. Emitter-Anschluss bezeichnet werden. Es versteht sich jedoch, dass die Ausführungsformen nicht auf die Verwendung von IGBTs beschränkt sind und dass stattdessen andere spannungsgesteuerte Leistungshalbleiterschalter, wie bspw. MOSFETs, BIGTs oder JFETs verwendet werden können.
In der in 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsform mit IGBT-Halbleiterchips weist jedes Schalterelement 17a–m also eine erste oder Kollektor-Elektrode 22 (C), die mit dem gemeinsamen Kollektoranschluss 18 verbunden ist, eine zweite bzw. Emitter-Elektrode 23 (E), die mit dem gemeinsamen Emitteranschluss 19 verbunden ist, und eine Steuerungs- bzw. Gate-Elektrode 24 (G) auf, die mit dem Steuerungs- bzw. Gate-Anschluss 21 verbunden ist.
Wie bereits erwähnt, sind die Schalterelemente 17a–m vorzugsweise durch parallel geschaltete Halbleiterchips gebildet und in einem gemeinsamen Gehäuse 25, wie bspw. einem Druckkontaktgehäuse (sog. Press-Pack-Gehäuse) untergebracht, oder sie sind in Modulbauweise gefertigt und mit einem gemeinsamen Gehäuse 25 versehen. Aus dem Gehäuse 25 sind die Anschlüsse 18, 19 und 21 nach außen herausgeführt. Im vorliegenden Fall ist ferner ein weiterer Anschluss, ein Hilfsemitter-Anschluss 27 (E (Aux)), herausgeführt, der im Inneren des Gehäuses 25 mit dem Emitteranschluss 19 verbunden ist und dazu dient, den Ansteuerkreis mit der Ansteuereinheit 14 von dem Laststrom zu entkoppeln.
Im Inneren des Gehäuses 25 ist ferner eine Fehlerschutzeinrichtung 26 angeordnet, die dazu eingerichtet ist, im Falle eines Ausfalls eines der Schalterelemente bzw. Halbleiterchips 17a–m einen gesteuerten dauerhaften leitfähigen Zustand des Schaltmoduls 11 sicherzustellen. Die Fehlerschutzeinrichtung 26 ist nachstehend in größeren Einzelheiten erläutert.
Zu dem Leistungselektronikmodul 9 gehört ferner die Ansteuereinheit 14, die hier vereinfacht mit einer Energiequelle 28, wenigstens einem Ansteuerungsausgang 29, einem Ansteuerungswiderstand 31 und einem ansteuerbaren Schalter 32 veranschaulicht ist. Der Ansteuerungsausgang 29 ist mit dem Gate-Anschluss 21 und dem Hilfsemitter-Anschluss 27 bzw. dem Emitter-Anschluss 19 verbunden. Die Energiequelle 28 ist hier als eine Spannungsquelle veranschaulicht, deren Ansteuerspannung V_G-on beim Schließen des Schalters 32 über den Ansteuerungswiderstand 31 und das Widerstandsnetzwerk 34 an die Gate-Elektrode 24 aller Schalterelemente 17a–m gleichzeitig angelegt wird.
Wie bereits oben erwähnt, dient die Fehlerschutzeinrichtung 26 dazu sicherzustellen, dass im Falle eines Fehlers eines der Schalterelemente bzw. Halbleiterchips 17a–m das Schaltmodul 11 in einen gesteuerten dauerhaften leitfähigen Fehlermodus versetzt werden kann. Im Allgemeinen führt ein hier auch allgemein als Ausfall bezeichneter Fehler in Form eines Kollektor-Emitter-Kurzschlusses eines IGBT-Halbleiterchips oder Schalterelementes 17a–m zu einem Kurzschluss zwischen seiner Gate-Elektrode 24 und seiner Emitter-Elektrode 23, wie in 2 beispielhaft an dem Element 17m dargestellt ist. Dadurch werden auch die Gate-Elektroden der anderen funktionsfähigen Schalterelemente gegen die Emitter-Elektrode 23 kurzgeschlossen und sind nicht mehr ansteuerbar. Die funktionsfähigen IGBT-Chips werden dadurch ausgeschaltet und verlieren ihre Steuerbarkeit, während der defekte Chip den gesamten Laststrom aufnimmt. Bedingt durch den hohen Überstrom, die dabei entstehende Wärme und gegebenenfalls auftretende Lichtbögen kann dies zur Beschädigung des Schaltmoduls 11 oder anderer Komponenten des Leistungselektronikmoduls 9 führen. Dies wird durch die erfindungsgemäße Fehlerschutzeinrichtung 26 verhindert, indem sie dafür sorgt, dass alle oder ein Teil der funktionsfähigen IGBT-Chips durch eine der nachstehend erläuterten Methoden oder eine Kombination von diesen in einem begrenzt steuerbaren bzw. leitenden Zustand gehalten oder in diesen geschaltet wird.
Die erfindungsgemäße Fehlerschutzeinrichtung 26 ist durch eine Schaltungsanordnung 33 gebildet, die im Inneren des Schaltmodulgehäuses 25 gemeinsam mit den Halbleiterchips 17a–m untergebracht ist. Wie ersichtlich, ist die Schaltungsanordnung 33 allein aus passiven Bauelementen, also Bauelementen, die keinerlei Verstärkerwirkung oder Steuerungsfunktion besitzen, aufgebaut. Insbesondere weist die Schaltungsanordnung 33 in der Ausführungsform nach 2 eine Widerstandsmatrix 34 auf, zu der im vorliegenden Fall erste Widerstände 36a–m gehören, die jeweils mit einem Anschluss mit der Gate Elektrode 24 eines zugehörigen Schalterelementes 17a–m verbunden sind. Mit ihrem anderen Anschluss sind die ersten Widerstände 36a–m jeweils paarweise an einem Verbindungspunkt 37 miteinander verbunden, so dass z.B. die ersten Widerstände 36a, b miteinander verbunden sind, die ersten Widerstände 36c, d miteinander verbunden sind, ... und die ersten Widerstände 36m-1, m miteinander verbunden sind.
Die Widerstandsmatrix 34 weist ferner weitere, zweite Widerstände 38a–n auf, die jeweils zwischen dem Verbindungspunkt 37 der ersten Widerstände 36a–m und dem gemeinsamen Gate-Anschluss 21 angeschlossen sind. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist m = 2n. In anderen Ausführungsformen könnten aber drei oder mehrere erste Widerstände 36a–m zusammen verbunden sein, um eine Gruppe zu bilden, die jeweils mit einem zweiten Widerstand 38a–n verbunden ist, so dass dann m das drei- oder mehrfache von n beträgt.
Obwohl dies in 2 nicht näher dargestellt ist, können die ersten Widerstände 36a–m der Widerstandsmatrix 34 gemeinsam mit den Schalterelementen 17a–m auf den Halbleiterchips angeordnet sein, obwohl sie auch außerhalb der Chips 17a–m vorgesehen sein können, jedoch innerhalb des Schaltmodulgehäuses 25 unterzubringen sind. Die ersten Widerstände 36a–m können zur Symmetrierung der Schaltung verwendet werden, um zu bewirken, dass alle Schalterelemente 17a–m bei einer Ansteuerung durch die Ansteuereinheit 14 möglichst gleichzeitig und gleichmäßig geschaltet werden. Im Allgemeinen sind derartige Symmetrierwiderstände relativ niederohmig. Die weiteren Widerstände 38a–n können außerhalb der Chips 37a–m ebenfalls auf den Chips 17a–m angeordnet sein, werden aber vorzugsweise außerhalb derer, aber innerhalb des Gehäuses 25 angeordnet.
Das soweit beschriebene Leistungselektronikmodul 9 mit der Fehlerschutzeinrichtung 26 funktioniert wie folgt:
Im normalen Betrieb steuert die Ansteuereinheit alle Schalterelemente 17a–m geeignet an, um alle Schalterelemente 17a–m im Wesentlichen gleichzeitig ein- bzw. auszuschalten und so das gesamte Schaltmodul 11 in den leitenden bzw. nicht leitenden Zustand zu versetzen. Wenn nun, wie bereits erwähnt, eines der Schalterelemente ausfällt und seine Gate-Emitterstrecke kurzgeschlossen ist, ist es mittels der Widerstandsmatrix 34 der Fehlerschutzeinrichtung 26 dennoch möglich, die funktionierenden, nicht fehlerbehafteten Schalterelemente 17a–m durch Anlegung einer hinreichenden Ansteuerspannung V_G-on einzuschalten, so dass die Gate-Emitter-Spannung dieser Schalterelemente 17a–m ihren Einschaltschwellenspannungswert V_GE-th überschreitet.
Unter der Annahme, dass hier der Fehler z.B. in dem j-ten Schalterelement 17j auftritt (z.B. dem Schalterelement 17m, wie in 2 angezeigt), lautet die Bedingung für die erforderliche Ansteuerungsspannung: V_G-on > V_GE-th × (R_G + R_2i + R_1j)/(R_2i + R_1j) (Gl. 1) wobei V_GE-th die Einschaltschwellenspannung für die Schalterelemente ist, R_G der elektrische Widerstand des Ansteuerungswiderstands 31 ist, R_1j der elektrische Widerstand des dem Schalterelement 17j zugeordneten ersten Widerstands 36j ist und R_2i der elektrische Widerstand des mit dem ersten Widerstands 36j verbundenen zweiten Widerstands 38i ist. Dadurch wird erreicht, dass an die nicht zu der Gruppe des fehlerhaften Schaltelementes 17j gehörenden Schalterelemente eine ihren Einschaltschwellenspannungswert V_GE-th überschreitende Gate-Emitter-Spannung angelegt wird.
Es ist verständlich, dass der Fehler an einem beliebigen der Schalterelemente 17a–m oder an ein paar einzelnen, also zwei oder mehreren der parallel geschalteten Schalterelemente 17a–m auftreten kann und dennoch die funktionsfähigen Schalterelemente 17a–m durch Anlegung einer hinreichenden Ansteuerungsspannung V_G-on (Anmerkung: Gl. 1 gilt nur für den speziellen Fall genau eines defekten Chips.) leitend geschaltet oder gehalten werden können. Ferner ist verständlich, dass zwar die obige Gleichung 1 nur für den speziellen Fall genau eines defekten Chips gilt, ein Durchschnittsfachmann aber ohne weiteres eine entsprechende Beziehung für die erforderliche Ansteuerungsspannung V_G-on auch für den Fall von zwei oder mehreren defekten Chips herleiten kann.
Als ein Beispiel kann bei einer Schwellenspannung V_GE-th von etwa 10 Volt je nach festgelegten Werten für die ersten und zweiten Widerstände 36a–m, 38a–n und dem Ansteuerungswiderstand 31 eine Ansteuerungsspannung V_G-on im Bereich zwischen etwa 15 Volt und 50 Volt erforderlich sein. Dies hängt jedoch von der inneren Widerstandsmatrix des Schaltmoduls 11 zwischen dem Gate-Anschluss 21 und den Gate-Elektroden 24 der Schalterelemente 17a–m ab.
Wenn also ein Ausfall, insbesondere ein Kurzschluss zwischen dem Kollektor-Anschluss 18 und dem Emitter-Anschluss 19 eines Chips des Schaltermoduls 11 erkannt wird, kann die Ansteuerungsspannung V_G-on gemäß einem im Voraus festgelegten Wert angelegt werden, der so groß ist, dass abhängig von den Impedanzen der Widerstandsmatrix alle funktionsfähigen Schalterelemente eingeschaltet werden oder bleiben. Umgekehrt können die Widerstände 36a–m und 38a–m in Abhängigkeit von einer im Voraus festgelegten Ansteuerungsspannung V_G-on für einen Fehlerfall bemessen werden.
Somit ermöglicht die geeignet bemessene Widerstandsmatrix 34 durch Anlegung einer im Voraus festgelegten ausreichenden Ansteuerungsspannung im Falle eines Ausfalls eines oder weniger Schalterelemente 17a–m die Gate-Elektroden 24 der anderen funktionsfähigen Schalterelemente hinreichend positiv vorzuspannen, so dass diese leitend geschaltet bzw. gehalten werden können, während die eine oder die wenigen Gate-Elektroden 24 der ausgefallenen Schalterelemente, die mit derselben Widerstandsmatrix 34 verbunden sind, kurzgeschlossen sind. Dadurch bleiben die Halbleiterchips 17a–m weiterhin steuerbar bzw. können dauerhaft in dem leitenden Zustand gehalten werden.
Durch Erfassung des Fehlers bspw. durch Überwachung der Spannungen und Ströme an den Anschlüssen 18, 19, 21, 27 des Schaltmoduls 11 und schnelles oder fortgesetztes Ansteuern der Leistungshalbleiterchips 17a–m kann der Laststrom auf alle Halbleiterchips aufgeteilt werden, wobei eine Störlichtbogenbildung oder Explosionen vermieden werden. Maßnahmen zum Explosionsschutz, wie bspw. Gehäuse zum Explosionsschutz oder Überspannungsschutzeinrichtungen, können somit reduziert werden. Außerdem wird ein dauerhafter und stabiler niederohmiger Stromweg durch das fehlerhafte Modul geschaffen. Vorteilhafterweise wird der Schutz durch die Fehlerschutzeinrichtung 26 nur mit passiven Elementen, nämlich der Widerstandsmatrix 34, in rein passiver Weise erreicht. Es sind hierzu keine aktive Logik, aktive Schalter und ähnliches notwendig, um die Fehlerstelle zu erkennen und/oder zu isolieren, Strompfade zu-, aboder umzuschalten und gezielt nur die funktionsfähigen Chips einzuschalten.
3 zeigt ein Leistungselektronikmodul 9 mit einer gegenüber 2 leicht modifizierten Ausführungsform des Schaltmoduls 11. Wie ersichtlich, sind hier die weiteren bzw. zweiten Widerstände 38a–n weggelassen, so dass alle ersten Widerstände 36a–m über den Verbindungspunkt 37 direkt miteinander und mit dem Gate-Anschluss 21 verbunden sind. An dem Chip 17m sind beispielhaft der durch den Fehler bedingte Kollektor-Emitter-Kurzschluss und Gate-Emitter-Kurzschluss gekennzeichnet. Auch in diesem Fall kann durch geeignete Bemessung der Widerstandsmatrix 34 sichergestellt werden, dass für eine gegebene Ansteuerspannung V_G-on, die durch die Ansteuereinheit 14 über den Ansteuerungswiderstand 31 an die Anschlüsse 21, 19 des Schaltmoduls angelegt wird, die Spannung an den Gate-Elektroden der funktionsfähigen, nicht fehlerbehafteten Chips größer als ihre Einschaltschwellenspannung ist.
Als ein Beispiel sollte für den in 3 gezeigten Schaltungsaufbau unter der Annahme, dass die elektrischen Widerstände aller ersten Widerstände 36a–m zwischen dem Gate-Anschluss 21 und den Gate-Elektroden 24 im Wesentlichen gleich sind, also R_int = R₁₁ = R₁₂ = ... = R_1m, die folgende Bedingung erfüllt sein: R_int > k × R_tot/(V_G-on/V_GE-th – (m – k)/m), (Gl. 2) wobei R_tot der gesamte effektive Gate-Widerstand für das Schaltmodul 11 im normalen Zustand ist, der beträgt: R_tot = R_G + R_int/m, (Gl. 3) wobei m die Gesamtanzahl von Halbleiterchips 17a–m in dem Schaltmodul 11 ist, k die Anzahl der fehlerbehafteten Chips mit Gate-Emitter-Kurzschluss ist, V_G-on die Gate-Ansteuerungsspannung der Gate-Ansteuereinheit 14 ist und V_GE-th die Gate-Emitter-Einschaltschwellenspannung der Halbleiterchips 17a–m ist.
Erneut ist es durch die passende Bemessung der Widerstandsmatrix 34 entsprechend den vorstehend angegebenen Gleichungen 2 und 3 möglich, durch Anlegen einer im Voraus festgelegten Ansteuerungsspannung V_G-on, die auch mit der Ansteuerungsspannung im normalen Betrieb identisch sein kann, möglich, trotz der kurzgeschlossenen Gate-Emitter-Strecken eines oder einiger weniger fehlerhafter Halbleiterchips 17a–m die anderen funktionsfähigen Chips leitend einzuschalten bzw. zu halten. Dies wiederum in rein passiver Weise, ohne eine aktive Logik, aktive Schalter oder dgl., um die Fehlerstelle zu erkennen und/oder zu isolieren und gezielt nur die funktionsfähigen Chips einzuschalten, und wiederum mit den bereits erwähnten weiteren Vorteilen eines Schutzes gegen Explosionen und Störlichtbögen und eines niederohmigen dauerhaften Stromwegs auch durch das fehlerhafte Modul.
4 zeigt ein Schaltmodul 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einer stark vereinfachten Darstellung. Das Schaltmodul 11 unterscheidet sich von demjenigen gemäß der 2 im Wesentlichen dadurch, dass hier jedem Schalterelement 17a–m bzw. jeder zusammengeschalteten Gruppe von Schalterelementen eine Sicherung 39a–m zugeordnet ist, die in jedem Steuerpfad zwischen der Gate-Elektrode 24 eines jeden Schalterelementes 17a–m und dem Verbindungspunkt 17 der jeweiligen Gruppen von Schalterelementen eingefügt ist. Die Sicherungen 39a–m können Schmelzsicherungen oder rücksetzbare Sicherungen sein. Jedenfalls sind sie in Abhängigkeit von der Widerstandsmatrix 34 derart bemessen, dass sie im Fehlerfalle eines oder einiger weniger Schalterelemente 17a–m auslösen, um die kurzgeschlossene Gate-Elektrode 24 eines ausgefallenen Schalterelementes von dem Gate-Anschluss 21 zu trennen, während die anderen, den fehlerfreien Schalterelementen zugeordneten Sicherungen nicht beeinflusst werden.
Im Falle einer kurzgeschlossenen Gate-Struktur eines ausgefallenen Schalterelementes 17a–m ist der resultierende Gate-Strom, der bei Anlegen eines positiven Gate-Signals durch die Ansteuereinheit 14 in die kurzgeschlossene Gate-Struktur eingespeist wird, viel höher als unter normalen Betriebsbedingungen, da bei spannungsgesteuerten Bauelementen wie bspw. IGBTs unter normalen Betriebsbedingungen nur kurzzeitige Ströme zum Umladen der chip-internen Gate-Kapazität während der Ein- und Ausschaltvorgänge in den Gate-Anschluss fließen. Die Schmelzsicherungen oder rücksetzbare Sicherungen 39a–m können also ausgelegt sein, um die kurzgeschlossene Gate-Elektrode 24 von der Gate-Ansteuereinheit 14 bei diesem Gate-Stromniveau zu trennen, wodurch ermöglicht wird, die funktionsfähigen, nicht fehlerbehafteten Gate-Strukturen zu steuern, d.h. leitend zu schalten bzw. zu halten. Die Sicherungen 39a–m können auf der SMD-Technologie basieren und sind gemeinsam mit den ersten und/oder zweiten Widerständen 36a–m, 38a–n auf den Halbleiterchips integriert oder außerhalb von diesen, aber innerhalb des gemeinsamen Gehäuses 25 angeordnet. Die Sicherungen 31a–m ermöglichen eine schnelle Reaktion, die Beschädigungen aufgrund von Explosionen bzw. Störlichtbögen wirksam vermeidet.
5 zeigt eine geringfügige Modifikation gegenüber der Ausführungsform nach 4, wobei hier Sicherungen 39‘a–n in den Gate-Strompfaden zwischen dem Gate-Anschluss 21 und dem Verbindungspunkt 37 der jeweiligen Gruppen von Schalterelementen 17a–m in Reihe zu den zweiten Widerständen 38a–n angeordnet sind. Erneut können die Schmelzsicherungen bzw. rücksetzbare Sicherungen 39‘a–n ausgelegt sein, um bei dem Stromniveau im Fehlerfall auszulösen, wobei hier zu berücksichtigen ist, dass jede Sicherung 39‘a–n im normalen Betrieb den zweifachen Strom führt (oder mehrfachen Strom, wenn mehr als zwei Schalterelemente 17a–m jeweils zu einer Gruppe verschaltet sind).
Alternativ können in den Ausführungsformen gemäß den 4 und 5 anstelle der Sicherungen 39a–m bzw. 39‘a–n Kaltleiter oder sog. PTC-Widerstandselemente 41a–m (in 4) bzw. 41’a–n (in 5) verwendet werden, die bei tiefen Temperaturen den Strom besser leiten können als bei hohen. Anders ausgedrückt, sind PTC-Widerstandelemente Bauelemente, deren elektrischer Widerstand sich bei steigender Temperatur vergrößert. Im Falle eines oder einiger weniger ausgefallener Schalterelemente 17a–m ist der Gate-Strom, der bei Anwendung eines positiven Gate-Ansteuerungssignal von der Ansteuereinheit 14 in die kurzgeschlossene Gate-Struktur fließt, viel höher als unter normalen Betriebsbedingungen. Die PTC-Widerstandselemente sind geeignet ausgelegt, um sich bei diesem höheren Stromniveau hinreichend zu erwärmen, um einen hohen Widerstand in dem Gate-Strompfad zwischen der Gate-Ansteuereinheit 14 und der kurzgeschlossenen Gate-Elektrode 24 einzurichten, um den Gate-Ansteuerstrom im Wesentlichen zu blockieren oder deutlich zu reduzieren, wodurch eine Steuerung der anderen, funktionsfähigen Gate-Strukturen ermöglicht wird.
Obwohl hier die Verbindung zwischen der Gate-Ansteuereinheit 14 und der kurzgeschlossenen Gate-Elektrode 24 eines fehlerbehafteten Schalterelementes 17a–m nicht gänzlich getrennt wird, wie im Falle der Sicherungen 39a–m, 39‘a–n in den 4 und 5, sondern der Gate-Strom lediglich deutlich reduziert wird, ist die Funktionsweise der Fehlerschutzeinrichtung 26 mit PTC-Widerstandselementen derjenigen der Fehlerschutzeinrichtung 26 mit Sicherungen ähnlich, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann.
6 zeigt eine weiter modifizierte Ausführungsform eines Schaltmoduls 11 mit einer Fehlerschutzeinrichtung 26. Hier ist jedem Schalterelement 17a–m bzw. jeder Gruppe von Schalterelementen ein Reihenkondensator 42a–m zugeordnet, der in Reihe zu einem oder mehreren zugehörigen ersten Widerständen 36a–m angeschlossen ist. In 6 sind die Reihenkondensatoren 42a–m jeweils zu einem ersten Widerstand 36a–m in Reihe zwischen der Gate-Elektrode 24 und dem Verbindungspunkt 37 angeordnet. Parallel zu jedem Reihenkondensator 42a–m ist ein hochohmiger Widerstand 43a–m parallel geschaltet, der einen Bypass zu dem jeweiligen Reihenkondensator 42a–m bildet. Der Reihenkondensator 42a–m wird derart bemessen, dass er keine unzulässige Abweichung der Gate-Ansteuerspannung unter den Leistungshalbleitern 17a–m im normalen Betrieb bewirkt.
Im normalen Betrieb werden die Gate-Emitter- und Gate-Kollektor-Kapazitäten der Halbleiterchips 17a–m durch den Gate-Ansteuerungsstrom, der entsprechend dem Ansteuerungsmuster ein Wechselstrom ist, wechselweise geladen und entladen. Jede Gleichstromkomponente in dem Gate-Ansteuerungsstrom rührt eventuell von parasitären Effekten her und ist vernachlässigbar klein. Dieser Gleichstromanteil wird durch den jeweiligen hochohmigen Bypass-Widerstand 43a–m aufgenommen. Der Reihenkondensator 42a–m ist deutlich größer als die Gate-Emitter-Kapazität eines Schalterelementes 17a–m zu wählen, so dass im normalen Betrieb nur eine geringe Spannung darüber abfällt.
Im Kurzschlussfall, wenn die zugehörige Gate-Emitter-Kapazität eines fehlerbehafteten Schalterelementes 17a–m kurzgeschlossen wird, wird der Reihenkondensator 42a–m durch den einsetzenden Fehlerstrom, der ein Gleichstrom hoher Stärke ist, schnell auf die Gate-Ansteuerungsspannung, von bspw. 15 Volt aufgeladen, woraufhin er den Gleichstrom zu der kurzgeschlossenen Gate-Struktur blockiert. Dadurch wird automatisch ein hinreichendes Gate-Ansteuersignal an den Gate-Elektroden 24 der funktionsfähigen Halbleiterchips 17a–m bereitgestellt, und diese werden leitend geschaltet bzw. gehalten.
Erneut wird, wie bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen, mittels einer Schaltungsanordnung 33, die lediglich passive Bauelemente aufweist, im Falle eines Kurzschlussfehlers eines oder einiger der Schalterelemente automatisch, in rein passiver Weise erzielt, dass die anderen funktionsfähigen Schalterelemente steuerbar in einem stabilen leitenden Zustand bleiben, ohne dass hierzu eine aktive Logik, aktive Schalter oder dgl. notwendig sind, um die Fehlerstelle zu erkennen und/oder zu isolieren und gezielt nur die funktionsfähigen Chips einzuschalten. Es wird ein dauerhafter stabiler niederohmiger Strompfad auch durch das Schaltmodul 11 hergestellt und die Spannung über dem fehlerhaften Schalterelement minimiert, so dass Gefahren aufgrund von Explosion und Störlichtbögen vermieden oder deutlich reduziert werden.
In einer Abwandlung könnten die Parallelschaltungen aus den Reihenkondensatoren 42a–m und den Bypass-Widerständen 43a–m auch in Reihe zu den zweiten Widerständen 38a–n in dem Gate-Strompfadzweig zwischen dem Verbindungspunkt 37 und dem Gate-Anschluss 21 angeordnet sein.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungselektronikmoduls 9 mit einem modifizierten Schaltmodul 11 und einer modifizierten Ansteuereinheit 14. Das Schaltmodul nach 7 unterscheidet sich von demjenigen nach 2 lediglich dadurch, dass es mehrere, wenigstens zwei aus dem gemeinsamen Gehäuse 25 herausgeführte Gate- bzw. Steueranschlüsse 21a–n aufweist, die jeweils einer Gruppe von zwei Schalterelementen 17a–m zugeordnet sind. Alternativ kann einem jedem Schalterelement ein eigener herausgeführter Steueranschluss 21 zugeordnet sein. In einer weiteren Alternative können jeweils drei oder mehr als drei Schalterelementen 17a–m ein einzelner gemeinsamer Steueranschluss 21 zugeordnet sein. Noch weiter kann der gemeinsame Hilfsemitter-Anschluss 27 hier für alle Schalterelemente 17a–m gemeinsam sein, oder er kann ebenfalls in einzelne Emitter-Anschlüsse 27a–n aufgeteilt sein.
Die Gate- bzw. Ansteuereinheit 14 weist hier ebenfalls mehrere parallele Ansteuerungsausgänge oder Ausgangsanschlüsse 29a–n auf, die jeweils mit einem der Steuerungsanschlüsse 21a–n des Schaltmoduls 11 verbunden sind. Jedem Ausgangsanschluss 29a–n ist ein Ansteuerungswiderstand 31a–n zugeordnet, wobei die Ansteuerungswiderstände 31a–n an einer Seite jeweils mit einem Ansteuerungsausgangsanschluss 29a–n verbunden und auf der gegenüberliegenden Seite an einem Sternpunkt 44 miteinander und über den ansteuerbaren Schalter 32 mit der Spannungsquelle 28 verbunden sind. Die Ansteuerungswiderstände 31a–n können im Wesentlichen gleiche elektrische Widerstände aufweisen.
Die aus dem Schaltmodul 11 ausgeführten Gate-Anschlüsse 21a–n einzelner IGBT-Chips 17a–m oder von Chip-Gruppen, wie veranschaulicht, erlauben die Ansteuerung der funktionsfähigen Chips bzw. Chip-Gruppen im Sinne der Erfindung, ohne dass wiederum eine aktive Logik, aktive Schalter oder ähnliches erforderlich sind, um die Fehlerstelle zu erkennen und/oder zu isolieren und gezielt nur die funktionsfähigen Chips einzuschalten.
Vielmehr kann die Ansteuereinheit 14 alle herausgeführten Gate-Anschlüsse gleichzeitig und ohne Unterscheidung ansteuern, wobei an dem Sternpunkt 44 aufgrund der parallel bestückten Gate-Ansteuerungswiderstände 31a–n trotz Kurzschlusses an dem jeweiligen fehlerbehafteten Chip 17a–m ein relativ hohes Spannungsniveau gehalten werden kann, das, anders als bei einem gemeinsamen Gate-Anschluss, nicht wesentlich einbricht, so dass die anderen, nicht fehlerbehafteten Chips weiterhin hinreichend vorgespannt und ansteuerbar bleiben. Im Ergebnis werden diese nicht fehlerbehafteten Chips bzw. Chip-Gruppen ein hinreichendes Einschaltsignal über der Einschaltschwellenspannung des IGBTs erhalten, so dass sie leitend geschaltet bzw. gehalten werden können. Die Ansteuereinheit 14 kann dabei insgesamt so ausgelegt sein, dass sie in der Lage ist, in die einzelne kurzgeschlossene Gate-Elektrode 24 einen dauerhaften Kurzschlussstrom zu speisen, was möglich ist, da die einzelnen zweiten Widerstände 38a–n wie auch die Ansteuerungswiderstände 31a–n eher hochohmig sind, z.B. 20 bis 100 Ohm betragen, und nur in ihrer Parallelschaltung den typischen Gate-Ansteuerungswiderstand von z.B. 0,5 bis 10 Ohm ergeben. Die einzelnen Kanäle der Ansteuereinheit können alternativ auch kurzschlussfest in dem Sinne ausgelegt sein, dass sie im Falle eines Kurzschlusses oder der Überlastung in einen hochohmigen Zustand schalten und den Strom entsprechend begrenzen. Dafür können die für die interne Gate-Struktur des Leistungshalbleitermodules beschriebenen Maßnahmen zur passiven Entkopplung der Fehlerstelle, z.B. der Einsatz von Sicherungen, PTC-Widerstandselementen, oder Reihenkondensatoren, sinngemäß für die Kanäle der Ansteuereinheit angewandt werden.
Erneut wird ein Fehlerschutz ohne ein aktives Verfahren zur Lokalisierung von Fehlerstellen und/oder Isolierung fehlerhafter Chips, um die parallelen Chips einschalten zu können, erzielt. Vielmehr werden hier nur passend angeordnete und dimensionierte passive Bauelemente der Fehlerschutzeinrichtung 26 verwendet, welche bei Ansteuerung durch eine einzige Ansteuereinheit 14 das Einschalten bzw. Leitendhalten der parallelen Chips ermöglichen. Dies mit einem einfachen Aufbau der Schaltungsanordnung, bei geringer Komplexität und geringen Kosten sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb.
Selbstverständlich können die vorstehend erläuterten Fehlerschutzmethoden auch miteinander kombiniert werden, um weitere mögliche Ausführungsformen hervorzubringen. Außerdem werden Fachleuten weitere Modifikationen und Änderungen einfallen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen. Bspw. können unterschiedliche Widerstandsmatrizen zwischen dem oder den Gate-Anschlüssen 21 und den Gate-Elektroden 24 angeordnet werden, um sowohl für eine Symmetrierung der Schalterelemente 17a–m als auch für die Erfüllung der Fehlerschutzfunktion im Sinne der Erfindung zu sorgen. Bspw. kann die Widerstandsmatrix mehr als zwei Ebenen von Widerständen 36a–m bzw. 38a–n, wie beispielhaft in 2 veranschaulicht, aufweisen. Wie bereits erwähnt, können die Schalterelemente 17a–m auch andere Leistungshalbleiterschalter, wie bspw. MOSFETs oder dgl., aufweisen und können als parallel geschaltete Halbleiterchips in einem Press-Pack-Gehäuse oder in Modulbauweise in einem gemeinsamen Gehäuse 25 gemeinsam mit der Fehlerschutzeinrichtung 26 angeordnet sein. Das Schaltmodul 11 und das Leistungselektronikmodul 9 gemäß der Erfindung können für vielfältige Anwendungen, wie bspw. HVDC- oder Antriebsanwendungen, bei denen Redundanzanforderungen erfüllt sein müssen, unterschiedliche Topologien von Stromrichtern und andere Systeme und Anwendungen verwendet werden, bei denen eine steuerbare Halbleitervorrichtung, wie IGBT, MOSFET oder dgl., nach einem Fehler einen sicheren leitenden Zustand einnehmen muss. Das Leistungselektronikmodul 9 und das Schaltmodul 11 ermöglichen es, im Wesentlichen unter Vermeidung zusätzlicher Komponenten und Maßnahmen eine Langzeitstabilität nach einem Fehler zu erreichen und eine explosionsbedingte Zerstörung zu vermeiden. Die Erfindung ist auch für Topologien mit Stromquellencharakteristik geeignet. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Methoden liegt darin, dass die Langzeitstabilität für eine unbegrenzte Zeitdauer sichergestellt werden kann, da die Halbleiterchips in einem normalen spezifizierten leitenden Betrieb betrieben werden. Es muss auch kein Kompromiss zwischen der Langzeitstabilität und der Temperaturwechselbeanspruchbarkeit der Vorrichtungen, wie in einigen herkömmlichen Vorrichtungen, erzielt werden. Die geringe Komplexität der erfindungsgemäßen Fehlerschutzeinrichtung 26 bildet die Basis für lange Wartungsintervalle und damit verbundene geringe Kosten sowie für eine hohe Zuverlässigkeit der Systeme im Betrieb.
Es ist ein Schaltmodul 11 geschaffen, das ein Gehäuse 25 mit einem ersten und einem zweiten Anschluss 18, 19 und wenigstens einem Steueranschluss 21, mehrere Schalterelemente 17a–m, die im Innern des Gehäuses 25 angeordnet, parallel zueinander angeschlossen und über ihre Steuerelektroden 24 ansteuerbar sind, und eine Fehlerschutzeinrichtung 26 aufweist, die zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss 21 und den Schalterelementen 17a–m wirksam eingefügt ist. Die Fehlerschutzeinrichtung (26) weist passive elektrische Bauelemente 34, 41, 42, 43 auf, die derart bemessen sind, dass im Falle eines Ausfalls eines oder mehrerer Schalterelemente 17a–m eine vorgegebene Ansteuerung an dem wenigstens einen Steueranschluss 21 in rein passiver Weise an den Steuerelektroden 24 aller anderen fehlerfreien Schalterelemente (17a–m) ein Ansteuersignal erzeugt, das ausreicht, um diese fehlerfreien Schalterelemente 17a–m leitend zu schalten oder zu halten. Ein Leistungselektronikmodul 9 mit wenigstens einem derartigen Schaltmodul 11 und mit einer dem wenigstens einen Schaltmodul 11 zugeordneten Ansteuereinheit 14 ist ebenfalls geschaffen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0989611 B1 [0008]
WO 2006/1004430 A1 [0009]
WO 2013/139373 A1 [0010]

Claims

Schaltmodul, das aufweist: einen ersten Anschluss (18), einen zweiten Anschluss (19) und wenigstens einen Steueranschluss (21); mehrere Schalterelemente (17a–m), die parallel zueinander mit einer ersten Elektrode (22) an den ersten Anschluss(18), mit einer zweiten Elektrode (23) an den zweiten Anschluss (19) und mit einer Steuerelektrode (24) an den wenigstens einen Steueranschluss (21) angeschlossen sind; und eine Fehlerschutzeinrichtung (26), die zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss (21) und den Schalterelementen (17a–m) wirksam eingefügt ist, wobei die Fehlerschutzeinrichtung (26) passive elektrische Bauelemente (34; 41; 42; 43) aufweist, die derart bemessen sind, dass im Falle eines Ausfalls wenigstens eines der mehreren Schalterelemente (17a–m) eine vorgegebene Ansteuerung an dem wenigstens einen Steueranschluss (21) in rein passiver Weise an den Steuerelektroden (24) aller anderen fehlerfreien Schalterelemente ein Ansteuersignal erzeugt, das ausreicht, um diese fehlerfreien Schalterelemente leitend zu schalten oder zu halten.
Schaltmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterelemente (17a–m) durch Leistungshalbleiterchips gebildet sind und vorzugsweise aus der Gruppe spannungsgesteuerter Bauelemente ausgewählt sind, zu der IGBTs, BIGTs, MOSFETs und JFETs gehören.
Schaltmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ein gemeinsames Gehäuse (25) aufweist, in dem alle Schalterelemente (17a–m) untergebracht sind, wobei der erste und der zweite Anschluss (18, 19) und der wenigstens eine Steueranschluss (21) aus dem Gehäuse (25) nach außen herausgeführt sind.
Schaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerschutzeinrichtung (26) eine Schaltungsanordnung (33) aufweist, die zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss (21) und den Steuerelektroden (24) der Schalterelemente (17a–m) angeordnet ist.
Schaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerschutzeinrichtung (26) eine Widerstandsmatrix (34) mit an jeder Steuerelektrode (24) angeschlossenen ersten Widerständen (36a–m) aufweist.
Schaltmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmatrix (34) derart ausgelegt ist, dass für eine gegebene Ansteuerspannung, die durch eine Ansteuereinheit (14) an den wenigstens einen Steueranschluss (21) angelegt wird, die resultierende Spannung an der Steuerelektrode (24) der fehlerfreien Schalterelemente (17a–m) größer ist als die Einschaltschwellenspannung der Schalterelemente (17a–m).
Schaltmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Widerstände (36a–m) jeweils zwischen einer Steuerelektrode (24) eines jeweiligen Schalterelementes (17a–m) und dem wenigstens einen Steueranschluss (21) angeschlossen sind, im Wesentlichen gleichen elektrischen Widerstand R_int = R₁₁ = R₁₂ = ... = R_1m aufweisen und die folgende Bedingung erfüllt ist: R_int > k × R_tot /(V_G-on/V_GE-th – (m – k)/m), wobei R_tot der gesamte effektive Ansteuerungswiderstand für das Schaltmodul (11) im normalen Betrieb ist, der beträgt: R_tot = R_G + R_int/m, wobei R_G ein Ansteuerungswiderstand einer Ansteuereinheit (14) ist, V_G-on die Ansteuerungsspannung der Ansteuereinheit (14) ist, V_GE-th die Einschaltschwellenspannung der Schalterelemente (17a–m) ist, k die Anzahl der fehlerbehafteten Schalterelemente bzw. Leistungshalbleiterchips mit Gate-Emitter-Kurzschluss ist, und m die Gesamtanzahl der Schalterelemente (17a–m) in dem Schaltmodul (11) ist.
Schaltmodul nach einem der Ansprüche 5–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmatrix (34) ferner weitere Widerstände (38a–n) aufweist, die jeweils zwischen den ersten Widerständen (36a–m) und dem wenigstens einen Steueranschluss (21) angeschlossen sind, wobei jeweils ein weiterer Widerstand (38a–n) in Reihe mit einem oder mehreren ersten Widerständen (36a–m) verbunden ist, um eine Gruppe von Schalterelementen (17a–m) zu bilden.
Schaltmodul nach Anspruch 8, das derart eingerichtet ist, dass bei einem Ausfall eines Schalterelementes (17j), dem der erste Widerstand (36j) mit dem elektrischen Widerstand R_1j und der in Reihe zu diesem geschaltete weitere Widerstand (38i) mit dem elektrischen Widerstand R_2i zugeordnet sind, für die an den wenigstens einen Steueranschluss (21) anzulegende Ansteuerspannung V_G-on zur Leitendschaltung der fehlerfreien Schalterelemente (17a–m) gilt: V_G-on > V_GE-th × (R_G + R_2i + R_1j)/(R_2i + R_1j) wobei V_GE-th die Einschaltschwellenspannung der Schalterelemente (17a–m) ist und R_G ein Ansteuerungswiderstand einer Ansteuereinheit (14) ist.
Schaltmodul nach einem der Ansprüche 5–9, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Anzahl aus einem gemeinsamen Gehäuse (25) gesondert herausgeführter Steueranschlüsse (21a–n) für jeweils einzelne Schalterelemente (17a–m) oder jeweils eine Gruppe von Schalterelementen (17a–m) aufweist, wobei die Anzahl wenigstens zwei beträgt und wobei die Steueranschlüsse (21a–n) vorgesehen sind, um mit einer Ansteuereinheit (14) verbunden zu werden, die eine der Anzahl der herausgeführten Steueranschlüsse (21a–n) entsprechende Anzahl paralleler Ansteuerungsausgänge (29a–n) und Ansteuerwiderstände (31a–n) aufweist.
Schaltmodul nach einem der Ansprüche 5–10, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Schalterelement (17a–m) bzw. einer jeden Gruppe von Schalterelementen (17a–m) eine Sicherung (39a–m, 39’a–n) zugeordnet ist, die zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss (21) und der Steuerelektrode (24) des bzw. der Schalterelemente (17a–m) eingefügt und bemessen ist, um im Fehlerfalle auszulösen, um die Steuerelektrode (24) eines ausgefallenen Schalterelementes (17a–m) bzw. einer Gruppe von Schalterelementen (17a–m) von dem Steueranschluss (21) zu trennen.
Schaltmodul nach einem der Ansprüche 5–11, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Schalterelement (17a–m) bzw. einer jeden Gruppe von Schalterelementen (17a–m) ein PTC-Widerstandselement (41a–m, 41’a–n) zugeordnet ist, das in der Steuerleitung zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss (21) und der Steuerelektrode (24) des oder der Schalterelemente (17a–m) eingefügt und bemessen ist, um sich beim Ausfall des zugehörigen Schalterelementes (17a–m) bzw. einer Gruppe von Schalterelementen (17a–m) zu erwärmen, um seinen elektrischen Widerstand deutlich zu vergrößern.
Schaltmodul nach einem der Ansprüche 5–12, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Schalterelement (17a–m) bzw. einer jeden Gruppe von Schalterelementen (17a–m) ein Reihenkondensator (42a–m) zugeordnet ist, der in Reihe zu einem oder mehreren zugehörigen Widerständen (36a–m; 38a–n) der Widerstandsmatrix (34) in der Steuerleitung zwischen dem wenigstens einen Steueranschluss (21) und der Steuerelektrode (24) des oder der Schalterelemente (17a–m) eingefügt ist und zu dem ein hochohmiger Bypass-Widerstand (43a–m) parallel geschaltet ist.
Schaltmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität der Reihenkondensatoren (42a–m) bemessen ist, um im normalen Betrieb keine unzulässige Abweichung der Ansteuerspannung unter den Schalterelementen (17a–m) herbeizuführen, im Fehlerfall jedoch den in die Steuerelektrode (24) des ausgefallenen Schalterelementes (17a–m) hinein fließenden Gleichstrom zu blockieren.
Leistungselektronikmodul mit wenigstens einem Schaltmodul (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer dem wenigstens einen Schaltmodul (11) zugeordneten Ansteuereinheit (14), die eine Energiequelle (28), wenigstens einen Ansteuerungsausgang (29), der mit dem wenigstens einen Steueranschluss (21) des Schaltmoduls (11) verbunden ist, einen Ansteuerungswiderstand (31) und einen ansteuerbaren Schalter (32) aufweist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (14) eingerichtet ist, um einen Ausfall wenigstens eines der Schalterelemente (17a–m) zu erkennen und in Reaktion darauf ein Einschaltsignal an den wenigstens einen Steueranschluss (21) dauerhaft anzulegen oder angelegt zu lassen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (14) mehrere Ansteuerungsausgänge (29a–n), die jeweils mit einem von mehreren Steueranschlüssen (21a–n) des Schaltmoduls (11) verbunden sind, mit zugehörigen Ansteuerungswiderständen (31a–n) aufweist und eingerichtet ist, um unabhängig davon, welches der Schalterelemente (17a–m) ausgefallen ist, das gleiche Ansteuersignal über alle Ansteuerungsausgänge (29a–n) an alle Steueranschlüsse (21a–n) des Schaltmoduls (11) anzulegen.