DE102024206195A1

DE102024206195A1 - Method for operating a full bridge circuit, voltage converter arrangement and electrical drive system

Info

Publication number: DE102024206195A1
Application number: DE102024206195.6A
Authority: DE
Inventors: Volker Gilgenbach; Benjamin Beckmann; Holger Sievert; Martin Hennen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-07-02
Filing date: 2024-07-02
Publication date: 2026-01-08
Also published as: WO2026008281A1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Konzept zur Bewältigung eines Fehlerfalls für eine Vollbrückenschaltung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine. Hierzu ist es vorgesehen, für den Fall, dass in einer Halbbrücke beide Halbleiterschaltelemente nicht mehr geschlossen werden können, sämtliche noch funktionsfähige Halbleiterschaltelemente der Vollbrückenschaltung zu schließen. Auf diese Weise kann ein gegebenenfalls auftretender Lichtbogen an einem defekten Halbleiterschaltelement möglichst rasch zum Erlöschen gebracht werden. The invention provides a concept for handling a fault in a full-bridge circuit for controlling an electric machine. For this purpose, it is provided that, in the event that both semiconductor switching elements in a half-bridge can no longer be closed, all still functional semiconductor switching elements of the full-bridge circuit are closed. In this way, any arc that may occur at a defective semiconductor switching element can be extinguished as quickly as possible.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vollbrückenschaltung, insbesondere einer Vollbrückenschaltung für eine Spannungswandleranordnung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Spannungswandleranordnung sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einer solchen Spannungswandleranordnung.The present invention relates to a method for operating a full-bridge circuit, in particular a full-bridge circuit for a voltage converter arrangement. The present invention further relates to a voltage converter arrangement and an electrical drive system with such a voltage converter arrangement.

Hintergrundbackground

Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen über ein elektrisches Antriebssystem, bei welchem eine elektrische Gleichspannung von einer Traktionsbatterie mittels eines Spannungswandlers (Inverter) in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung konvertiert wird und mittels dieser Wechselspannung eine elektrische Maschine angesteuert wird. Die Spannungswandleranordnung umfasst hierbei in der Regel für jeden Phasenanschluss der elektrischen Maschine eine sogenannte Halbbrücke mit zwei in Serie angeordneten Halbleiterschaltelement bzw. Gruppen von parallelgeschalteten Halbleiterschaltelementen. Durch gezieltes Öffnen und Schließen dieser Halbleiterschaltelemente kann eine von der Traktionsbatterie bereitgestellte Gleichspannung in einen geeigneten Wechselstrom konvertiert werden, der dazu geeignet ist, die elektrische Maschine gemäß den Sollwertvorgaben anzusteuern.Vehicles powered entirely or at least partially by electricity have an electric drive system in which a direct current (DC) from a traction battery is converted into a single- or multi-phase alternating current (AC) by means of a voltage converter (inverter). This AC voltage is then used to drive an electric motor. The voltage converter arrangement typically includes a so-called half-bridge for each phase connection of the electric motor, consisting of two semiconductor switching elements arranged in series or groups of semiconductor switching elements connected in parallel. By selectively opening and closing these semiconductor switching elements, the DC voltage supplied by the traction battery can be converted into a suitable alternating current, which is then used to drive the electric motor according to the specified parameters.

Während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems können einzelne Komponenten überwacht werden, um mögliche Fehler zu detektieren und im Fehlerfall geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.During the operation of the electric drive system, individual components can be monitored to detect possible faults and to initiate appropriate countermeasures in case of a fault.

Die Druckschrift DE 10 2020 208 973 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überstromdetektion an Leistungsschaltern, um gegebenenfalls im Fehlerfall ein Abschalten des Leistungsschalters einzuleiten.The printed matter DE 10 2020 208 973 A1 For example, it describes a method and a device for overcurrent detection on circuit breakers in order to initiate a shutdown of the circuit breaker if necessary in the event of a fault.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben einer Vollbrückenschaltung, eine Spannungswandleranordnung sowie ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention provides a method for operating a full bridge circuit, a voltage converter arrangement, and an electrical drive system with the features of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, the following is planned:

Ein Verfahren zum Betreiben einer Vollbrückenschaltung, insbesondere einer Vollbrückenschaltung mit mehreren Halbbrücken. Jede Halbbrücke umfasst hierbei eine Serienschaltung aus zwei Halbleiterschaltelemente bzw. zwei Gruppen von parallel geschalteten Halbleiterschaltelement. Die beiden in Serie geschalteten Halbleiterschaltelemente sind dabei jeweils an einem Knotenpunkt miteinander verbunden. Die Halbbrücken sind jeweils zwischen zwei Anschlusspunkten eines Gleichspannungsanschlusses der Vollbrückenschaltung angeordnet. Die einzelnen Knotenpunkte der Halbbrücken sind jeweils mit korrespondierenden Anschlusspunkten eines Wechselspannungsanschlusses der Vollbrückenschaltung verbunden. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Detektieren einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltelement einer Halbbrücke. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Feststellen einer Unterbrechung einer am Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Energieversorgung. Diese Unterbrechung kann insbesondere aufgrund eines Überstroms nach dem Auftreten der Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltelement der Halbbrücke ausgelöst werden. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Schließen der beiden Halbleiterschaltelemente in mindestens einer weiteren Halbbrücke. Die weitere Halbbrücke ist hierbei eine Halbbrücke, die nicht das Halbleiterschaltelement umfasst, in welcher die Fehlfunktion detektiert worden ist. Das Schließen der beiden Halbleiterschaltelemente in dieser mindestens einen weiteren Halbbrücke erfolgt dann, falls eine Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltelement detektiert worden ist. Insbesondere erfolgt das Schließen der beiden Halbleiterschaltelemente in der mindestens einen weiteren Halbbrücke erst dann, nachdem festgestellt worden ist, dass die an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossene Energieversorgung unterbrochen worden ist. Mit anderen Worten, durch die mindestens eine weitere Halbbrücke werden die beiden Anschlusspunkte des Gleichspannungsanschlusses kurzgeschlossen, falls eine Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltelement detektiert worden ist und zusätzlich festgestellt worden ist, dass die an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossene Energieversorgungsquelle von dem Gleichspannungsanschluss getrennt worden ist.A method for operating a full-bridge circuit, in particular a full-bridge circuit with multiple half-bridges. Each half-bridge comprises a series connection of two semiconductor switching elements or two groups of semiconductor switching elements connected in parallel. The two series-connected semiconductor switching elements are each connected to each other at a node. The half-bridges are each arranged between two terminals of a DC voltage input of the full-bridge circuit. The individual nodes of the half-bridges are each connected to corresponding terminals of an AC voltage input of the full-bridge circuit. The method comprises a step for detecting a malfunction in a semiconductor switching element of a half-bridge. Furthermore, the method comprises a step for detecting an interruption in a power supply connected to the DC voltage input. This interruption can be triggered, in particular, by an overcurrent after the malfunction occurs in the semiconductor switching element of the half-bridge. The method further comprises a step for closing the two semiconductor switching elements in at least one other half-bridge. This other half-bridge is a half-bridge that does not include the semiconductor switching element in which the malfunction was detected. The two semiconductor switching elements in this at least one additional half-bridge close if a malfunction in the semiconductor switching element has been detected. Specifically, the two semiconductor switching elements in the at least one additional half-bridge close only after it has been determined that the power supply connected to the DC terminal has been interrupted. In other words, the at least one additional half-bridge short-circuits the two terminals of the DC terminal if a malfunction in a semiconductor switching element has been detected and it has also been determined that the power supply connected to the DC terminal has been disconnected.

Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, the following is planned:

Eine Spannungswandleranordnung mit einer Vollbrückenschaltung und einer Steuereinrichtung. Die Vollbrückenschaltung umfasst mehrere Halbbrücken. Hierbei umfasst jede Halbbrücke eine Serienschaltung aus zwei Halbleiterschaltelementen oder zwei Gruppen von parallel geschalteten Halbleiterschaltelementen. Die beiden Halbleiterschaltelemente bzw. Gruppen von Halbleiterschaltelementen sind an einem Knotenpunkt miteinander verbunden. Die Halbbrücken sind jeweils zwischen zwei Anschlusspunkten eines Gleichspannungsanschlusses angeordnet. Weiterhin ist jeweils ein Knotenpunkt einer Halbbrücke mit einem korrespondierenden Anschlusspunkt eines Wechselspannungsanschlusses verbunden. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltelement einer Halbbrücke zu detektieren. Weiterhin ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Unterbrechung einer an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Energieversorgung festzustellen. Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die beiden in Serie geschalteten Halbleiterschaltelemente in mindestens einer weiteren Halbbrücke zu schließen. Bei dieser mindestens einen weiteren Halbbrücke handelt es sich um eine Halbbrücke, welche nicht das Halbleiterschaltelement umfasst, bei welchem eine Fehlfunktion detektiert worden ist. Hierbei erfolgt das Schließen der beiden Halbleiterschaltelemente in der mindestens einen weiteren Halbbrücke, falls eine Fehlfunktion in dem Halbleiterschaltelement detektiert worden ist, wobei das Schließen der beiden Halbleiterschaltelemente erst dann erfolgt, nachdem festgestellt worden ist, dass die an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossene Energieversorgung unterbrochen ist.A voltage converter arrangement with a full bridge circuit and a control unit. The full bridge circuit comprises several half-bridges. Each half-bridge consists of a series connection of two semiconductor switching elements or two groups of semiconductor switching elements connected in parallel. The two semiconductor switching elements or groups of semiconductor switching elements are connected to each other at a junction. The half-bridges are each connected between two terminals of a DC voltage supply. The system is arranged as follows: Each node of a half-bridge is connected to a corresponding terminal of an AC voltage connection. The control unit is designed to detect a malfunction in a semiconductor switching element of a half-bridge. Furthermore, the control unit is designed to detect an interruption in a power supply connected to the DC voltage connection. In addition, the control unit is designed to close the two series-connected semiconductor switching elements in at least one further half-bridge. This at least one further half-bridge is a half-bridge that does not include the semiconductor switching element in which a malfunction has been detected. The closing of the two semiconductor switching elements in the at least one further half-bridge occurs if a malfunction in the semiconductor switching element has been detected, but only after it has been determined that the power supply connected to the DC voltage connection is interrupted.

Schließlich ist vorgesehen:Finally, the following is planned:

Ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Spannungswandleranordnung und einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist hierbei mit dem Wechselspannungsanschluss der Vollbrückenschaltung in der Spannungswandleranordnung elektrisch gekoppelt. Der Gleichspannungsanschluss der Vollbrückenschaltung der Spannungswandleranordnung ist dazu ausgelegt, mit einer Gleichspannungsquelle elektrisch gekoppelt zu werden. Insbesondere kann die Gleichspannungsquelle über eine geeignete Trennvorrichtung mit dem Gleichspannungsanschluss gekoppelt werden.An electric drive system comprising a voltage converter arrangement according to the invention and an electric machine. The electric machine is electrically coupled to the AC voltage terminal of the full-bridge circuit in the voltage converter arrangement. The DC voltage terminal of the full-bridge circuit of the voltage converter arrangement is designed to be electrically coupled to a DC voltage source. In particular, the DC voltage source can be coupled to the DC voltage terminal via a suitable isolating device.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine in einem elektrischen Antriebssystem kann eine elektrische Gleichspannung mittels eines elektrischen Stromrichters in eine geeignete Wechselspannung konvertiert werden, um die elektrische Maschine anzusteuern. Der elektrische Stromrichter umfasst hierbei in der Regel mehrere Halbleiterschaltelemente, die zu Erzeugung der gewünschten Wechselspannung in kontrollierter Weise geöffnet und geschlossen werden. In sehr seltenen Fällen besteht die Gefahr, dass aufgrund eines Defekts eines Halbleiterschaltelements das Halbleiterschaltelement nicht oder nicht mehr vollständig geöffnet werden kann. Für den sehr unwahrscheinlichen Fall, dass daraufhin auch das zweite Halbleiterschaltelement in der Halbbrücke mit dem fehlerhaften ersten Halbleiterschaltelement aufgrund eines Defekts oder andere Ursachen nicht geöffnet werden kann, entsteht in dieser Halbbrücke ein Kurzschluss zwischen den Anschlusspunkten des Gleichspannungsanschlusses. Hierbei kann es gegebenenfalls zu einem Lichtbogen an bzw. über einem Halbleiterschaltelement kommen.To control an electric machine in an electric drive system, a direct current (DC) voltage can be converted into a suitable alternating current (AC) voltage using an electrical converter. The electrical converter typically comprises several semiconductor switching elements that are opened and closed in a controlled manner to generate the desired AC voltage. In very rare cases, there is a risk that a defective semiconductor switching element may prevent it from opening, or may no longer open completely. In the highly unlikely event that the second semiconductor switching element in the half-bridge also fails to open due to a defect or other cause, a short circuit occurs between the DC connection points in this half-bridge. This can potentially lead to an arc at or across a semiconductor switching element.

Erfolgt ein solcher Fehlerfall während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems, so besteht darüber hinaus die Gefahr, dass auch nach dem Abtrennen der Gleichspannungsquelle am Gleichspannungsanschluss weiterhin durch eine am Wechselspannungsanschluss angeschlossene elektrische Maschine, welche sich während des Betriebs noch in Rotation befindet, elektrische Energie in den Stromrichter eingespeist werden kann. Somit kann diese Energie von der elektrischen Maschine weiterhin den Lichtbogen speisen und dabei kann die Energie in dem Lichtbogen in thermische Energie umgesetzt werden.If such a fault occurs during operation of the electric drive system, there is also the risk that even after disconnecting the DC voltage source at the DC terminal, electrical energy can continue to be fed into the converter by an electric machine connected to the AC terminal, which is still rotating during operation. This energy from the electric machine can then continue to power the arc, and the energy in the arc can be converted into thermal energy.

Ausgehend von dieser Erkenntnis ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, ein Konzept für den beschriebenen Fehlerfall zu schaffen, bei welchem der entstandene Lichtbogen möglichst rasch zum Erlöschen gebracht werden kann. Hierzu ist es vorgesehen, im Fehlerfall die Halbleiterschaltelemente mindestens einer weiteren Halbbrücke, vorzugsweise mehrerer, insbesondere aller weiteren Halbbrücken, zu schließen. Auf diese Weise werden parallele Strompfade geschaffen, über welche einerseits die durch die elektrische Maschine eingespeiste Energie rasch abgebaut werden kann und darüber hinaus durch diese Kurzschlusskonfiguration auch die elektrische Spannung über der Halbbrücke mit den defekten Halbleiterschaltelementen absinkt, um den Lichtbogen rasch zum Erlöschen zu bringen.Based on this understanding, the present invention aims to provide a concept for the described fault condition in which the resulting arc can be extinguished as quickly as possible. To this end, in the event of a fault, the semiconductor switching elements of at least one, preferably several, and in particular all, further half-bridges are closed. This creates parallel current paths through which, on the one hand, the energy supplied by the electric machine can be rapidly dissipated, and, on the other hand, this short-circuit configuration also causes the electrical voltage across the half-bridge with the defective semiconductor switching elements to drop, thus rapidly extinguishing the arc.

Durch dieses bewusste aktive Schließen möglichst vieler Halbleiterschaltelemente in den noch funktionsfähigen Halbbrücken kann somit die Branddauer des Lichtbogens über einem defekten Halbleiterschaltelement reduziert werden. Somit sinkt auch die über dem Lichtbogen umgesetzte elektrische Energie. Hierdurch ist es möglich, bei einem solchen Fehlerfall den Eintrag thermischer Energie von dem Lichtbogen an die umliegenden Komponenten zu reduzieren und somit eine mögliche Beschädigungen oder Zerstörungen dieser umliegenden Komponenten zu vermeiden oder zumindest signifikant zu reduzieren.By deliberately and actively closing as many semiconductor switching elements as possible in the still-functional half-bridges, the duration of the arc over a defective semiconductor switching element can be reduced. This also reduces the electrical energy dissipated by the arc. In such a fault scenario, this makes it possible to reduce the transfer of thermal energy from the arc to surrounding components, thus preventing or at least significantly reducing potential damage or destruction of these components.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Detektieren der Fehlfunktion eines Halbleiterschaltelements in einer Halbbrücke ein Detektieren eines Kurzschlusses an dem Halbleiterschaltelement umfassen. Ein solcher Kurzschluss entspricht einem Zustand, bei welchem das Halbleiterschaltelement nicht mehr in der Lage ist, eine elektrische Verbindung zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss vollständig zu unterbrechen. Mit anderen Worten, das Halbleiterschaltelement kann eine elektrische Verbindung nicht mehr vollständig unterbrechen, obwohl es entsprechend angesteuert wird. Das Detektieren der Fehlfunktion kann insbesondere auch das Detektieren eines Lichtbogens an dem Halbleiterschaltelement umfassen. Gerade beim Auftreten eines Lichtbogens kann durch diesen Lichtbogen eine sehr große Menge an thermische Energie an die Umgebung abgegeben werden. Hierdurch besteht die Gefahr, dass Bauteile oder Komponenten in der Nähe des Lichtbogens beschädigt oder gegebenenfalls zerstört werden.According to one embodiment, detecting the malfunction of a semiconductor switching element in a half-bridge can include detecting a short circuit at the semiconductor switching element. Such a short circuit corresponds to a state in which the semiconductor switching element The semiconductor switching element is no longer able to completely interrupt an electrical connection between the input and output terminals. In other words, the semiconductor switching element can no longer completely break an electrical connection, even though it is being controlled accordingly. Detecting the malfunction can also include detecting an arc at the semiconductor switching element. When an arc occurs, it can release a very large amount of thermal energy into the surroundings. This poses a risk of damaging or even destroying components or parts located near the arc.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Detektieren der Fehlfunktion des Halbleiterschaltelements in der Halbbrücke unter Verwendung einer Spannungsüberwachung an einem Steueranschluss des Halbleiterschaltelements oder des komplementären Halbleiterschaltelements in der Halbbrücke erfolgen. Eine solche Spannungsüberwachung an den Steueranschlüssen der Halbleiterschaltelemente kann zum Beispiel durch die an den Halbleiterschaltelemente angeschlossenen Treiberschaltungen realisiert werden. Darüber hinaus können jedoch auch beliebige andere geeignete Maßnahmen zur Überwachung der Halbleiterschaltelemente und zur Detektion einer Fehlfunktion an einem Halbleiterschaltelement vorgesehen sein.According to one embodiment, the malfunction of the semiconductor switching element in the half-bridge can be detected by means of voltage monitoring at a control terminal of the semiconductor switching element or the complementary semiconductor switching element in the half-bridge. Such voltage monitoring at the control terminals of the semiconductor switching elements can be implemented, for example, by the driver circuits connected to the semiconductor switching elements. However, any other suitable measures for monitoring the semiconductor switching elements and detecting a malfunction in a semiconductor switching element can also be provided.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Feststellen der Unterbrechung der an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Energieversorgung unter Verwendung einer Spannungsmessung und/oder einer Strommessung. Insbesondere kann die elektrische Spannung an dem Gleichspannungsanschluss bzw. ein elektrischer Strom an dem Gleichspannungsanschluss überwacht werden. Beim Abtrennen der Energieversorgung von dem Gleichspannungsanschluss kann die elektrische Spannung an dem Gleichspannungsanschluss sehr rasch abfallen und es kann auch kein weiterer elektrischer Strom von der Gleichspannungsquelle zu dem Gleichspannungsanschluss fließen. Somit kann durch eine solche Überwachung eine zuverlässige Unterbrechung der Energieversorgung detektiert werden. Da gegebenenfalls die hierfür erforderliche Sensorik bereits für andere Zwecke vorhanden ist, kann auf diese Weise die Unterbrechung zwischen Gleichspannungsquelle und Gleichspannungsanschluss sehr einfach und kostengünstig realisiert werden.According to one embodiment, the interruption of the power supply connected to the DC terminal is detected using voltage and/or current measurement. Specifically, the voltage or current at the DC terminal can be monitored. When the power supply is disconnected from the DC terminal, the voltage at the DC terminal can drop very rapidly, and no further current can flow from the DC source to the DC terminal. Thus, such monitoring allows for the reliable detection of a power supply interruption. Since the necessary sensors may already be available for other purposes, this method of detecting the interruption between the DC source and the DC terminal can be implemented very simply and cost-effectively.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Feststellen der Unterbrechung der Verbindung einer an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Energieversorgung auf Grundlage einer vorbestimmten Zeitspanne zwischen dem Detektieren der Fehlfunktion an dem Halbleiterschaltelement und dem Zeitpunkt für das Feststellen der Unterbrechung der Energieversorgung erfolgen. Mit anderen Worten, der Zeitpunkt für das Feststellen der Unterbrechung der Energieversorgung wird zu einem Zeitpunkt bestimmt, der eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Zeitpunkt liegt, zu dem die Fehlfunktion an dem Halbleiterschaltelement detektiert worden ist. Diese vorbestimmte Zeitspanne kann beispielsweise einer Zeitspanne entsprechen, welche für ein Auslösen einer Schutzeinrichtung, insbesondere einer Überstromschutzeinrichtung oder ähnlichem zugrunde gelegt wird. Beispielsweise kann diese vorbestimmte Zeitspanne eine Zeitspanne sein, in welcher eine Überstromschutzeinrichtung maximal anspricht, um bei einem Fehlerfall die Gleichspannungsquelle von dem Gleichspannungsanschluss zu trennen. Hierdurch kann ohne weitere zusätzliche Hardware der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem angenommen werden kann, dass die Gleichspannungsquelle in einem Fehlerfall von dem Gleichspannungsanschluss getrennt worden ist.According to a further embodiment, the detection of an interruption in the connection of a power supply connected to the DC terminal can be based on a predetermined time interval between the detection of the malfunction in the semiconductor switching element and the time of detection of the power supply interruption. In other words, the time of detection of the power supply interruption is determined at a point in time that is a predetermined time interval after the time at which the malfunction in the semiconductor switching element was detected. This predetermined time interval can, for example, correspond to the time interval used as the basis for the tripping of a protective device, in particular an overcurrent protection device or similar. For example, this predetermined time interval can be the time interval in which an overcurrent protection device responds at its maximum capacity to disconnect the DC voltage source from the DC terminal in the event of a fault. This allows the time at which it can be assumed that the DC voltage source has been disconnected from the DC terminal in the event of a fault to be determined without any additional hardware.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Feststellen der Unterbrechung der an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Energieversorgung unter Verwendung einer externen Signalisierung. Bei dieser externen Signalisierung kann es sich beispielsweise um eine Signalisierung von einer Überstromschutzeinrichtung handeln. Zum Beispiel kann es sich bei dieser Signalisierung um das Ansteuersignal eines pyrotechnischen Schutzschalters der externen Gleichspannungsquelle handeln. Ebenso ist es beispielsweise denkbar, ein Auslösesignal vom pyrotechnischen Schutzschalter als Signalisierung bereitzustellen. Darüber hinaus sind jedoch grundsätzlich auch beliebige andere Signale möglich, die in Zusammenhang mit der Unterbrechung der externen bei Spannungsversorgung stehen.According to another embodiment, the interruption of the power supply connected to the DC voltage terminal is detected using an external signal. This external signal could, for example, be a signal from an overcurrent protection device. For instance, this signal could be the control signal of a pyrotechnic circuit breaker for the external DC voltage source. Similarly, it is conceivable to provide a trip signal from the pyrotechnic circuit breaker as the signal. However, any other signal related to the interruption of the external power supply is also possible.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Schließen der beiden Halbleiterschaltelemente das Schließen aller Halbleiterschaltelemente in allen Halbbrücken der Vollbrückenschaltung, insbesondere das Schließen aller Halbleiterschaltelemente in den Halbbrücken, welche parallel zu der Halbbrücke mit dem fehlerhaften Halbleiterschaltelement vorhanden sind. Durch das Schließen aller verfügbaren Halbleiterschaltelemente wird eine größtmögliche Anzahl von parallelen elektrischen Pfaden geschaffen, die zum Abbau der elektrischen Energie geeignet sind. Somit kann ein Lichtbogen an dem defekten Halbleiterschaltelement möglichst rasch zum Erlöschen gebracht werden.According to one embodiment, closing the two semiconductor switching elements includes closing all semiconductor switching elements in all half-bridges of the full-bridge circuit, in particular closing all semiconductor switching elements in the half-bridges that are parallel to the half-bridge containing the faulty semiconductor switching element. Closing all available semiconductor switching elements creates the greatest possible number of parallel electrical paths suitable for dissipating the electrical energy. This allows an arc at the defective semiconductor switching element to be extinguished as quickly as possible.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt zum Freigeben des gleichzeitigen Ansteuerns beider Halbleiterschaltelemente in einer Halbbrücke, falls eine Fehlfunktion eines Halbleiterschaltelements detektiert worden ist. Durch ein solches Freigeben des gleichzeitigen Schließens der beiden Halbleiterschaltelemente einer Halbbrücke kann beispielsweise eine üblicherweise vorgesehene gegenseitige Verriegelung während des normalen operationellen Betriebs aufgehoben werden. Diese Verriegelung während des normalen operationellen Betriebs kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, einen Kurzschluss zwischen den Anschlusspunkten des Gleichspannungsanschlusses durch eine fehlerhafte Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente zu verhindern. Ist eine solche Verriegelung vorgesehen, so kann zur Realisierung des erfindungsgemäßen Schutzkonzepts diese Verriegelung nach dem Detektieren einer Fehlfunktion eines Halbleiterschaltelement aktiv und bewusst aufgehoben werden, um einen Schaltzustand zum raschen Erlöschen eines Lichtbogens einzustellen.According to one embodiment, the method includes a step to enable the simultaneous activation of both semiconductor switching elements in a half-bridge if a malfunction of one half occurs. a fault in a semiconductor switching element has been detected. By releasing the simultaneous closing of the two semiconductor switching elements of a half-bridge in this way, a normally provided mutual interlock during normal operational operation can, for example, be lifted. This interlock during normal operational operation can, for example, be intended to prevent a short circuit between the connection points of the DC voltage connection due to a faulty control of the semiconductor switching elements. If such an interlock is provided, then, to implement the protection concept according to the invention, this interlock can be actively and deliberately lifted after the detection of a malfunction in a semiconductor switching element in order to establish a switching state for the rapid extinguishing of an arc.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above embodiments and further developments can be combined with one another as appropriate. Further embodiments, further developments, and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described previously or subsequently with regard to the exemplary embodiments, even if not explicitly mentioned. In particular, those skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Spannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform;
2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes zur Veranschaulichung der Schaltzustände in einer Vollbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform; und
3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer Vollbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Further features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures. These show:

1 : a schematic representation of a basic circuit diagram of an electrical drive system with a voltage converter arrangement according to one embodiment;
2 : a schematic representation of a basic circuit diagram to illustrate the switching states in a full bridge circuit according to one embodiment; and
3 : a flowchart as it underlies a method for operating a full bridge circuit according to one embodiment.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Spannungswandleranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Spannungswandleranordnung 1 umfasst einen Gleichspannungsanschluss 12 mit zwei Anschlusspunkten 12a und 12b. Ein erster Anschlusspunkt 12a kann mit einem korrespondierenden, beispielsweise positiven Anschlusspunkt einer Gleichspannungsquelle 30, beispielsweise einem elektrischen Energiespeicher wie einer Traktionsbatterie, verbunden sein. Analog kann der zweite Anschlusspunkt 12b mit einem korrespondierenden, beispielsweise negativen Anschlusspunkt der Gleichspannungsquelle 30 verbunden sein. Zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12, vorzugsweise an oder in der Gleichspannungsquelle 30 kann eine Schutzvorrichtung 31, insbesondere eine Überstromschutzvorrichtung, wie zum Beispiel ein pyrotechnischer Schutzschalters, vorgesehen sein. Diese Schutzvorrichtung 31 kann beim Detektieren eines elektrischen Stroms oberhalb einer vorgegebenen Schwelle die elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12 der Spannungswandleranordnung 1 unterbrechen. Darüber hinaus können zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12 der Spannungswandleranordnung 1 auch noch weitere Komponenten vorgesehen sein, die zur vereinfachten Darstellung in 1 nicht explizit dargestellt sind. 1 Figure 1 shows a schematic diagram of a basic circuit diagram of an electric drive system with a voltage converter arrangement 1 according to one embodiment. The voltage converter arrangement 1 comprises a DC voltage terminal 12 with two connection points 12a and 12b. A first connection point 12a can be connected to a corresponding, for example, positive, connection point of a DC voltage source 30, for example, an electrical energy storage device such as a traction battery. Similarly, the second connection point 12b can be connected to a corresponding, for example, negative, connection point of the DC voltage source 30. A protective device 31, in particular an overcurrent protection device, such as a pyrotechnic circuit breaker, can be provided between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12, preferably on or in the DC voltage source 30. This protective device 31 can interrupt the electrical connection between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12 of the voltage converter arrangement 1 when it detects an electric current above a predetermined threshold. Furthermore, additional components may also be provided between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12 of the voltage converter arrangement 1, which are omitted for the sake of simplicity in the illustration. 1 are not explicitly shown.

Die Spannungswandleranordnung 1 umfasst ferner einen Wechselspannungsanschluss 13 mit mehreren Wechselspannungsanschlusspunkten 13a - 13c. Dieser Wechselspannungsanschluss 13 kann beispielsweise mit einer elektrischen Maschine 20 verbunden werden. Insbesondere kann jeder Anschlusspunkt 13a - 13c des Wechselspannungsanschluss 13 mit einem korrespondierenden Anschlusspunkt der elektrischen Maschine 20 verbunden sein.The voltage converter arrangement 1 further comprises an AC voltage terminal 13 with several AC voltage connection points 13a - 13c. This AC voltage terminal 13 can, for example, be connected to an electric machine 20. In particular, each connection point 13a - 13c of the AC voltage terminal 13 can be connected to a corresponding connection point of the electric machine 20.

Die Spannungswandleranordnung 1 umfasst weiterhin eine Vollbrückenschaltung 10 mit mehreren Halbbrücken 10a - 10c. Insbesondere kann für jeden Anschlusspunkt 13a- 13c des Wechselspannungsanschlusses 13 und somit für jeden Phasenanschluss der elektrischen Maschine 20 eine Halbbrücke 10a - 10c vorgesehen sein.The voltage converter arrangement 1 further comprises a full bridge circuit 10 with several half bridges 10a - 10c. In particular, a half bridge 10a - 10c can be provided for each connection point 13a- 13c of the AC voltage connection 13 and thus for each phase connection of the electrical machine 20.

Jede Halbbrücke 10a - 10c umfasst eine Serienschaltung aus jeweils zwei Halbleiterschaltelementen M1a - M1c, M2a - M2c. Hierbei kann anstelle eines einzelnen Halbleiterschaltelements insbesondere auch eine Gruppe mit mehreren parallel geschalteten Halbleiterschaltelementen vorgesehen sein. Insbesondere können die mehreren Halbleiterschaltelemente als Gruppe auf einem gemeinsamen Substrat vorgesehen sein. Im Folgenden wird auch für eine derartige Anordnung stets der Begriff Halbleiterschaltelement verwendet.Each half-bridge 10a - 10c comprises a series connection of two semiconductor switching elements M1a - M1c and M2a - M2c. Instead of a single semiconductor switching element, a group of several semiconductor switching elements connected in parallel can also be provided. In particular, the multiple semiconductor switching elements can be arranged as a group on a common substrate. The term semiconductor switching element will be used hereafter for such an arrangement as well.

In jeder Halbbrücke 10a - 10c ist ein erstes Halbleiterschaltelement M1a - M1c zwischen dem ersten Anschlusspunkt 12 des Gleichspannungsanschluss 12 und einem Knotenpunkt K der jeweiligen Halbbrücke 10a - 10c vorgesehen, und ein zweites Halbleiterschaltelement M2a - M2c ist zwischen dem Knotenpunkt K der jeweiligen Halbbrücke 10a - 10c und dem zweiten Anschlusspunkt 12 der jeweiligen Halbbrücke 10a - 10c vorgesehen. Jeder Knotenpunkt K einer Halbbrücke 10a - 10c ist mit einem korrespondierenden Anschlusspunkt 13a - 13c des Wechselspannungsanschluss 13 verbunden.In each half-bridge 10a - 10c, a first semiconductor switching element M1a - M1c is provided between the first connection point 12 of the DC voltage terminal 12 and a node K of the respective half-bridge 10a - 10c, and a second Semiconductor switching element M2a - M2c is provided between the node K of the respective half-bridge 10a - 10c and the second connection point 12 of the respective half-bridge 10a - 10c. Each node K of a half-bridge 10a - 10c is connected to a corresponding connection point 13a - 13c of the AC voltage terminal 13.

Die einzelnen Halbleiterschaltelemente M1a-M1c, M2a-M2c der Halbbrücken 10a - 10c können jeweils über geeignete Treiberschaltungen 11a - 11c angesteuert werden. Die einzelnen Treiberschaltungen 11a-11c können von einer Steuervorrichtung 11 angesteuert werden und/oder in einer solchen Steuervorrichtung 11 integriert sein.The individual semiconductor switching elements M1a-M1c, M2a-M2c of the half-bridges 10a-10c can each be controlled via suitable driver circuits 11a-11c. The individual driver circuits 11a-11c can be controlled by a control device 11 and/or be integrated into such a control device 11.

Insbesondere kann beispielsweise auch die Spannung zwischen dem Steueranschluss eines Halbleiterschaltelements, M1a-M1c, M2a-M2c und einem Leistungsanschluss des jeweiligen Halbleiterschaltelements, M1a-M1c, M2a-M2c überwacht werden. Hierdurch kann zum Beispiel eine mögliche Fehlfunktion eines Halbleiterschaltelements M1a-M1c, M2a-M2c detektiert werden. Eine solche Fehlfunktion kann insbesondere ein elektrisch leitfähiger Zustand eines Halbleiterschaltelements M1a-M1c, M2a-M2c darstellen, obwohl das entsprechende Halbleiterschaltelement M1a-M1c, M2a-M2c zu diesem Zeitpunkt geöffnet sein sollte. Es versteht sich jedoch, dass grundsätzlich auch beliebige andere geeignete Maßnahmen zu Überwachung der Halbleiterschaltelemente M1a-M1c, M2a-M2c und insbesondere auch zur Überwachung einer ungewollten elektrischen Leitfähigkeit eines Halbleiterschaltelements M1a-M1c, M2a-M2c möglich sind.In particular, the voltage between the control terminal of a semiconductor switching element, M1a-M1c, M2a-M2c, and a power terminal of the respective semiconductor switching element, M1a-M1c, M2a-M2c, can be monitored. This allows, for example, the detection of a possible malfunction of a semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c. Such a malfunction could, in particular, be an electrically conductive state of a semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c, even though the corresponding semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c should be open at that time. It is understood, however, that any other suitable measures for monitoring the semiconductor switching elements M1a-M1c, M2a-M2c, and especially for monitoring unwanted electrical conductivity of a semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c, are also possible.

Während eines fehlerfreien normalen operationellen Betriebs zum Ansteuern der elektrischen Maschine 20 mittels elektrischer Energie von der Gleichspannungsquelle 30 ist in jeder Halbbrücke in der Regel maximal eines der beiden Halbleiterschaltelemente M1a-M1c, M2a-M2c geschlossen. Andernfalls könnte bei gleichzeitigem Schließen beider Halbleiterschaltelemente einer Halbbrücke 10a - 10c zwischen den beiden Anschlusspunkt von 12a - 12b ein elektrischer Kurzschluss entsteht.During normal, error-free operation to control the electric machine 20 using electrical energy from the DC voltage source 30, typically only one of the two semiconductor switching elements M1a-M1c, M2a-M2c is closed in each half-bridge. Otherwise, if both semiconductor switching elements of a half-bridge 10a-10c were to close simultaneously, an electrical short circuit could occur between the two connection points 12a-12b.

In einem Fehlerfall besteht die Gefahr, dass ein Halbleiterschaltelement M1aM1c, M2a-M2c die elektrische Verbindung zwischen seinen beiden Leistungsanschlüssen, d.h. zwischen dem jeweiligen Gleichspannungsanschluss 12a oder 12b und dem Knotenpunkt K nicht mehr oder zumindest nicht mehr vollständig unterbrechen kann. Wird daraufhin das komplementäre Halbleiterschaltelement M1a-M1c, M2a-M2c dieser Halbbrücke10a - 10c geschlossen, so tritt hierdurch ein Kurzschluss zwischen den Anschlusspunkten 12a, 12b des Gleichspannungsanschluss 12 auf. Wird ein solcher Zustand frühzeitig erkannt, so sollte das noch intakte Halbleiterschaltelement M1a-M1c, M2a-M2c möglichst rasch wieder geöffnet werden. In seltenen Fällen besteht jedoch die Möglichkeit, dass auch dieses komplementäre Halbleiterschaltelement M1a-M1c, M2a-M2c nicht mehr die elektrische Verbindung (vollständig) unterbrechen kann. In diesem Fall wird von der Gleichspannungsquelle 30 ein sehr hoher elektrischer Strom über die beiden Halbleiterschaltelemente M1aM1c, M2a-M2c in der Halbbrücke 10a - 10c mit den defekten Halbleiterschaltelementen M1a-M1c, M2a-M2c fließen. Hierbei kann unter Umständen an mindestens einem der Halbleiterschaltelemente M1a-M1c, M2aM2c ein Lichtbogen entstehen. Durch diesen Lichtbogen kann eine große Menge an thermischer Energie freigesetzt werden.In the event of a fault, there is a risk that a semiconductor switching element M1aM1c, M2a-M2c may no longer be able to completely interrupt the electrical connection between its two power terminals, i.e., between the respective DC voltage terminal 12a or 12b and the node K. If the complementary semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c of this half-bridge 10a-10c is then closed, a short circuit occurs between the terminal points 12a, 12b of the DC voltage terminal 12. If such a condition is detected early, the still intact semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c should be reopened as quickly as possible. In rare cases, however, it is possible that this complementary semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c may also be unable to (completely) interrupt the electrical connection. In this case, a very high electric current will flow from the DC voltage source 30 through the two semiconductor switching elements M1aM1c, M2a-M2c in the half-bridge 10a-10c with the defective semiconductor switching elements M1a-M1c, M2a-M2c. An arc may form at at least one of the semiconductor switching elements M1a-M1c, M2aM2c. This arc can release a large amount of thermal energy.

In der Regel wird bei einem solchen Fehlerfall aufgrund des hohen elektrischen Stroms von der Gleichspannungsquelle 30 eine Überstromschutzeinrichtung 31 auslösen und somit die elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12 unterbrechen. Hierdurch kann keine weitere elektrische Energie von der Gleichspannungsquelle 30 zu der Fehlerstelle in der Halbbrücke 11a - 11c mit den defekten Halbleiterschaltelementen M1a-M1c, M2a-M2c fließen.In such a fault condition, the high electrical current from the DC voltage source 30 will typically trigger an overcurrent protection device 31, thus interrupting the electrical connection between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12. This prevents any further electrical energy from flowing from the DC voltage source 30 to the fault location in the half-bridge 11a-11c with the defective semiconductor switching elements M1a-M1c and M2a-M2c.

Tritt der beschriebene Fehler jedoch während des Betriebs der elektrischen Maschine 20 auf, so kann es sich die elektrische Maschine 20 in Rotation befinden. Hierdurch kann die noch rotierende elektrische Maschine 20 als Generator über den Wechselspannungsanschluss 13 ebenfalls elektrische Energie an die Vollbrücke 10 einspeisen. Diese elektrische Energie kann somit auch den Lichtbogen an dem defekten Halbleiterschaltelement M1a-M1c, M2aM2c speisen.However, if the described fault occurs during the operation of the electric machine 20, the electric machine 20 may be in rotation. In this case, the still-rotating electric machine 20 can also feed electrical energy into the full bridge 10 via the AC voltage connection 13, acting as a generator. This electrical energy can then also power the arc at the defective semiconductor switching element M1a-M1c, M2aM2c.

Im Nachfolgenden wird daher eine Betriebsstrategie beschrieben, welche für den zuvor erläuterten Fehlerfall ein möglichst rasches Erlöschen des Lichtbogens ermöglichen soll. Die entsprechenden Schaltzustände sind schematisch hierzu in 2 dargestellt.The following describes an operating strategy designed to extinguish the arc as quickly as possible in the previously explained fault scenario. The corresponding switching states are shown schematically in the figure below. 2 depicted.

Wie in 2 zu erkennen ist, kann beispielsweise der oben bereits erwähnte Lichtbogen an dem oberen Halbleiterschaltelement M1a der ersten Halbbrücke 10a auftreten. Weiterhin kann das komplementäre Halbleiterschaltelement M2a in dieser Halbbrücke 10a ebenfalls dauerhaft leitfähig sein. Es versteht sich hierbei, dass die hier dargestellte Konfiguration bei einem Fehlerfall in der ersten Halbbrücke 10a und einem Lichtbogen an dem oberen Halbleiterschaltelement M1a lediglich beispielhaft zu verstehen sind und keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen. Vielmehr können die Fehler auch an anderen Halbbrücken auftreten bzw. der Lichtbogen an einem unteren Halbleiterschaltelement M2a - M2c auftreten.As in 2 As can be seen, for example, the arc mentioned above can occur at the upper semiconductor switching element M1a of the first half-bridge 10a. Furthermore, the complementary semiconductor switching element M2a in this half-bridge 10a can also be permanently conductive. It is understood that the configuration shown here, in the event of a fault in the first half-bridge 10a and an arc at the upper semiconductor switching element M1a, is merely an example and does not represent a limitation of the present invention. Rather, the faults can also occur at other half-bridges, or... the arc occurs at a lower semiconductor switching element M2a - M2c.

Wie zuvor bereits ausgeführt, wird die elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12 in der Regel durch Ansprechen einer geeigneten Überstromschutzeinrichtung 31 unterbrochen werden. Das Ansprechen dieser Überstromschutzeinrichtung 31 kann der Steuereinrichtung 11 signalisiert werden. Hierzu kann beispielsweise entweder direkt die Überstromschutzeinrichtung 31 nach dem Auslösen eine entsprechende Signalisierung ausgeben. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Steuersignal zum Auslösen dieser Überstromschutzeinrichtung 31 an die Steuereinrichtung 11 der Spannungswandleranordnung 1 weitergeleitet werden. Darüber hinaus ist selbstverständlich auch der Empfang jeder anderen Art von Signalisierung für das Auslösen einer Einrichtung zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12 möglich.As previously explained, the electrical connection between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12 is typically interrupted by the activation of a suitable overcurrent protection device 31. The activation of this overcurrent protection device 31 can be signaled to the control unit 11. For example, the overcurrent protection device 31 can directly output a corresponding signal after tripping. Alternatively or additionally, a control signal to trigger this overcurrent protection device 31 can be forwarded to the control unit 11 of the voltage transformer arrangement 1. Furthermore, it is of course also possible to receive any other type of signal for triggering a device to disconnect the electrical connection between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12.

Ferner ist es auch möglich, dass die Steuereinrichtung 11 den Fehlerzustand in einer Halbbrücke M1a-M1c, M2a-M2c detektiert und daraufhin eine vorbestimmte Zeitspanne wartet. Diese vorbestimmte Zeitspanne kann beispielsweise der maximalen Ansprechzeit der Überstromschutzeinrichtung 31 entsprechen. Nach dieser Zeit kann die Steuereinrichtung 11 davon ausgehen, dass aufgrund des detektierten Fehlerfalls die Überstromschutzeinrichtung 31 ausgelöst hat und die elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12 unterbrochen hat. Darüber hinaus sind jedoch auch grundsätzlich beliebige andere Konzepte möglich, welche es der Steuereinrichtung 11 ermöglichen, einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem nach einem Fehlerfall die elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12 unterbrochen worden ist.Furthermore, it is also possible for the control unit 11 to detect the fault condition in a half-bridge M1a-M1c, M2a-M2c and then wait a predetermined time period. This predetermined time period can, for example, correspond to the maximum response time of the overcurrent protection device 31. After this time, the control unit 11 can assume that, due to the detected fault, the overcurrent protection device 31 has tripped and interrupted the electrical connection between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12. However, any other concept is also fundamentally possible, which allows the control unit 11 to determine a point in time at which, after a fault, the electrical connection between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12 has been interrupted.

Nachdem die Steuereinrichtung 11 festgestellt hat, dass in einer Halbbrücke 10a der Vollbrückenschaltung 10 ein Fehlerfall, insbesondere ein oben beschriebener Fehlerfall mit einer elektrischen Leitfähigkeit beiden Halbleiterschaltelemente M1a, M2a in einer Halbbrücke 10a aufgetreten ist, und nachdem die Steuereinrichtung 11 ferner festgestellt hat, dass die elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 30 und dem Gleichspannungsanschluss 12 unterbrochen worden ist, kann die Steuereinrichtung 11 in mindestens einer weiteren Halbbrücke 10b, 10c, vorzugsweise jedoch in allen weiteren Halbbrücken 10b, 10c, sämtliche Halbleiterschaltelemente M1b, M1c, M2b, M2c schließen. Auf diese Weise kann über diese Kurzschlussverbindungen in den weiteren Halbbrücken 10b, 10c die von der elektrischen Maschine 20 eingespeiste elektrische Energie möglichst rasch abgebaut werden. Weiterhin kann auch die elektrische Spannung über der Halbbrücke 10a mit den defekten Halbleiterschaltelement M1a, M2a gesenkt werden. Auf diese Weise kann es erreicht werden, dass ein gegebenenfalls brennender Lichtbogen an einem defekten Halbleiterschaltelement M1a möglichst rasch zum Erlöschen gebracht wird. Damit kann auch die thermische Energie, die durch diesen Lichtbogen an die Umgebung abgegeben wird, gesenkt werden. In der Folge sinkt die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung weiterer Komponenten in der Umgebung des defekten Halbleiterschaltelements M1a.After the control unit 11 has detected that a fault has occurred in a half-bridge 10a of the full-bridge circuit 10, in particular a fault as described above with electrical conductivity across both semiconductor switching elements M1a, M2a in a half-bridge 10a, and after the control unit 11 has further detected that the electrical connection between the DC voltage source 30 and the DC voltage terminal 12 has been interrupted, the control unit 11 can close all semiconductor switching elements M1b, M1c, M2b, M2c in at least one further half-bridge 10b, 10c, but preferably in all further half-bridges 10b, 10c. In this way, the electrical energy supplied by the electric machine 20 can be dissipated as quickly as possible via these short-circuit connections in the further half-bridges 10b, 10c. Furthermore, the electrical voltage across the half-bridge 10a with the defective semiconductor switching elements M1a, M2a can also be reduced. In this way, any arcing at a defective semiconductor switching element M1a can be extinguished as quickly as possible. This also reduces the thermal energy released into the surroundings by this arc. Consequently, the risk of damage or destruction of other components in the vicinity of the defective semiconductor switching element M1a is reduced.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer Vollbrückenschaltung 10, insbesondere einer Vollbrückenschaltung 10 für eine Spannungswandleranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Schritte umfassen, die zur Realisierung des oben bereits in Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Konzepts geeignet sind. Analog kann auch die oben beschriebene Spannungswandleranordnung 1 bzw. die darin enthaltene Vollbrückenschaltung 10 beliebige Komponenten umfassen, die zur Realisierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens geeignet sind. 3 Figure 1 shows a flowchart illustrating how a method for operating a full-bridge circuit 10, in particular a full-bridge circuit 10 for a voltage converter arrangement 1 according to one embodiment, can be based. The method can, in principle, comprise any steps necessary to realize the function already described above in connection with the 1 and 2 are suitable for the described concept. Similarly, the voltage converter arrangement 1 described above, or the full bridge circuit 10 contained therein, can also comprise any components suitable for implementing the method described below.

Das Verfahren umfasst einen Schritt S1 zum Detektieren einer Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltelement M1a-M1c, M2a-M2c einer Halbbrücke 10a - 10c der Vollbrückenschaltung 10.The procedure includes a step S1 for detecting a malfunction in a semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c of a half-bridge 10a - 10c of the full-bridge circuit 10.

Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt S2 zum Feststellen eine Unterbrechung einer an dem Gleichspannungsanschluss 12 angeschlossenen Energieversorgung 30.Furthermore, the procedure includes a step S2 for detecting an interruption of a power supply 30 connected to the DC voltage terminal 12.

Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt S3 zum Schließen der beiden Halbleiterschaltelemente M1a-M1c, M2a-M2c in mindestens einer weiteren Halbbrücke 10a - 10c, in der kein fehlerhaftes Halbleiterschaltelement M1a-M1c, M2a-M2c detektiert worden ist. Vorzugsweise werden in diesem Schritt S3 alle Halbleiterschaltelemente M1a-M1c, M2a-M2c der Halbbrücken 10a - 10c geschlossen.Finally, the method comprises a step S3 for closing the two semiconductor switching elements M1a-M1c, M2a-M2c in at least one further half-bridge 10a-10c in which no defective semiconductor switching element M1a-M1c, M2a-M2c has been detected. Preferably, in this step S3, all semiconductor switching elements M1a-M1c, M2a-M2c of the half-bridges 10a-10c are closed.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Konzept zur Bewältigung eines Fehlerfalls für eine Vollbrückenschaltung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine. Hierzu ist es vorgesehen, für den Fall, dass in einer Halbbrücke beide Halbleiterschaltelemente nicht mehr geschlossen werden können, sämtliche noch funktionsfähige Halbleiterschaltelemente der Vollbrückenschaltung zu schließen. Auf diese Weise kann ein gegebenenfalls auftretender Lichtbogen an einem defekten Halbleiterschaltelement möglichst rasch zum Erlöschen gebracht werden.In summary, the present invention relates to a concept for handling a fault in a full-bridge circuit for controlling an electric machine. For this purpose, it is provided that, in the event that both semiconductor switching elements in a half-bridge can no longer be closed, all still functional semiconductor switching elements of the full-bridge circuit are closed. In this way, any arcing that may occur at a defective element can be extinguished. The semiconductor switching element should be extinguished as quickly as possible.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2020 208 973 A1 [0004]

Claims

Method for operating a full-bridge circuit (10) with multiple half-bridges (10a-10c), wherein each half-bridge (10a-10c) comprises a series connection of two semiconductor switching elements (M1a-M1c, M2a-M2c) connected to each other at a node (K), the half-bridges (10a-10c) each being arranged between two connection points (12a, 12b) of a DC voltage terminal (12), and the nodes (K) of the half-bridges (10a-10c) each being connected to corresponding connection points (13a-13c) of an AC voltage terminal (13), and wherein the method comprises: Detecting (S1) a malfunction in a semiconductor switching element (M1a-M1c, M2a-M2c) of a half-bridge (10a-10c); Detecting (S2) an interruption in a power supply (30) connected to the DC terminal (12); Closing (S3) both semiconductor switching elements (M1a-M1c, M2a-M2c) in at least one further half-bridge (10a-10c) if a malfunction in a semiconductor switching element (M1a-M1c, M2a-M2c) has been detected and after it has been determined that the power supply (30) connected to the DC terminal (12) is interrupted.

Procedure according to Claim 1 , wherein the detection (S1) of the malfunction of the semiconductor switching element (M1a-M1c, M2a-M2c) in a half-bridge (10a-10c) comprises the detection of a short circuit, in particular the detection of an arc, at the semiconductor switching element (M1a-M1c, M2aM2c).

Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the detection (S1) of the malfunction of the semiconductor switching element (M1a-M1c, M2a-M2c) in a half-bridge (10a-10c) is carried out using voltage monitoring at a control terminal of the complementary semiconductor switching element (M1aM1c, M2a-M2c) in the half-bridge (10a-10c).

Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the detection (S2) of the interruption of the power supply (30) connected to the DC terminal (12) is carried out using a voltage and/or current measurement at the DC terminal (12).

Procedure according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the detection (S2) of the interruption of the power supply (30) connected to the DC terminal (12) is carried out using a predetermined time interval between the detection (S1) of the malfunction and the time of detection of the interruption.

Procedure according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the detection (S2) of the interruption of the power supply (30) connected to the DC voltage terminal (12) is carried out using an external signaling, in particular a signaling from an overcurrent protection device (31).

Procedure according to one of the Claims 1 until 6 , wherein closing (S3) of the semiconductor switching elements (M1a-M1c, M2a-M2c) includes closing both semiconductor switching elements (M1a-M1c, M2a-M2c) of all half-bridges (10a-10c) in the full-bridge circuit (14).

Procedure according to one of the Claims 1 until 7 , with a step to enable simultaneous control of both semiconductor switching elements (M1aM1c, M2a-M2c) in a half-bridge (10a-10c) if a malfunction of one semiconductor switching element (M1a-M1c, M2a-M2c) has been detected.

Voltage converter arrangement (1) comprising: a full bridge circuit (10) comprising several half bridges (10a-10c), in which each half bridge (10a-10c) comprises a series connection of two semiconductor switching elements (M1a-M1c, M2a-M2c) connected to each other at a node (K), the half bridges (10a-10c) each being arranged between two terminals (12a, 12b) of a DC voltage terminal (12), and the nodes (K) of the half bridges (10a-10c) each being connected to corresponding terminals (13a-13c) of an AC voltage terminal (13), and a control device (11) designed to detect a malfunction in a semiconductor switching element (M1a-M1c, M2a-M2c) of a half bridge (10a-10c), an interruption of a connection at the DC voltage terminal (12) to determine if a malfunction in a semiconductor switching element (M1a-M1c, M2a-M2c) has been detected and after it has been determined that the power supply (30) connected to the DC terminal (12) is interrupted, close both semiconductor switching elements (M1a-M1c, M2a-M2c) in at least one further half-bridge (10a-10c).

Electric drive system, comprising: a voltage converter arrangement (1) according to Claim 9 ; and an electric machine (20), wherein the electric machine (20) is electrically coupled to the AC voltage connection (13) is, and wherein the DC voltage connection (12) of the full bridge circuit (14) is designed to be electrically coupled to a DC voltage source (30).