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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsvorrichtung, einen Stromrichter, einen elektrischen Achsantrieb, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsvorrichtung.
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Leistungstransistoren in Form von MOSFETs eigenen sich zum Einsatz in Stromrichtern für Fahrzeuge mit einem elektrischen Achsantrieb.
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US 20218 / 0 006 644 A1 zeigt einen Leistungsschaltkreis.
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WO 20222 / 207 203 A1 offenbart eine Leistungshalbleiteranordnung.
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DE 10 2023 201 657 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung von Halbleiterschaltelementen, ein Leistungsmodul und einen elektrischen Stromrichter.
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DE 10 2022 134 658 A1 zeigt ein Leitungsmodul, einen elektrischen Leitungswandler und einen elektrischen Antrieb für ein Transportmittel.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Schaltungsvorrichtung, einen verbesserten Stromrichter, einen verbesserten elektrischen Achsantrieb, ein verbessertes Kraftfahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Verwendung eines MOSFETs mit einem zusätzlichen Kelvinsourceanschluss ermöglicht eine einfache und zuverlässige Überwachung eines Betriebs des MOSFETs.
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Ein entsprechender Kelvinsourceanschluss eines MOSFETs bietet die Möglichkeit einer sogenannten Kelvin-Verbindung zum Sourceanschluss des MOSFETs, die als Bezugspotential für eine Gate-Treiberspannung verwendet werden kann, wodurch die Auswirkungen von Spannungsabfällen über eine Source-Induktivität des MOSFETs eliminiert werden kann.
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Eine Schaltungsvorrichtung für einen Wechselrichter für ein Fahrzeug weist die folgenden Merkmale auf:
- einen ersten Gleichspannungsanschluss, einen zweiten Gleichspannungsanschluss und einen Wechselspannungsanschluss;
- eine Halbbrückenschaltung aus einer zwischen den ersten Gleichspannungsanschluss und den Wechselspannungsanschluss geschalteten ersten Parallelschaltung aus einem ersten Leistungstransistor, insbesondere einem ersten MOSFET, und einem zweiten Leistungstransistor, insbesondere einem zweiten MOSFET sowie einer zwischen den Wechselspannungsanschluss und den zweiten Gleichspannungsanschluss geschalteten zweiten Parallelschaltung aus einem dritten Leistungstransistor, insbesondere einem dritten MOSFET und einem vierten Leistungstransistor, insbesondere einem vierten MOSFET;
- einen ersten Gatekontakt, der mit einem Gateanschluss des ersten Leistungstransistors und einem Gateanschluss des zweiten Leistungstransistors verbunden ist, sowie einen zweiten Gatekontakt, der mit einem Gateanschluss des dritten Leistungstransistors und einem Gateanschluss des vierten Leistungstransistors verbunden ist;
- einen ersten Sourcekontakt, der über einen ersten Kelvinsource-Widerstand mit einem Kelvinsourceanschluss des ersten Leistungstransistors und über einen zweiten Kelvinsource-Widerstand mit einem Kelvinsourceanschluss des zweiten Leistungstransistors verbunden ist, sowie einen zweiten Sourcekontakt, der über einen dritten Kelvinsource-Widerstand mit einem Kelvinsourceanschluss des dritten Leistungstransistors und über einen vierten Kelvinsource-Widerstand mit einem Kelvinsourceanschluss des vierten Leistungstransistors verbunden ist; und
- eine Gatetreibereinrichtung, die ausgebildet ist, um den ersten Gatekontakt mit einer ersten Gatespannung zum Schalten des ersten Leistungstransistors und des zweiten Leistungstransistors sowie den zweiten Gatekontakt mit einer zweiten Gatespannung zum Schalten des dritten Leistungstransistors und des vierten Leistungstransistors zu beaufschlagen, wobei die Gatetreibereinrichtung ausgebildet ist, um ein erstes Spannungssignal bereitzustellen, das einen ersten Spannungsabfall an dem ersten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, ein zweites Spannungssignal bereitzustellen, das einen zweiten Spannungsabfall an dem zweiten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, ein drittes Spannungssignal bereitzustellen, das einen dritten Spannungsabfall an dem dritten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, und ein viertes Spannungssignal bereitzustellen, das einen vierten Spannungsabfall an dem vierten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert.
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Gemäß einer Ausführungsform sind der erste Leistungstransistor und der zweite Leistungstransistor parallel geschaltet und werden als Highside-Schalter in der Halbbrückenschaltung verwendet. Entsprechend sind der dritte Leistungstransistor und der vierte Leistungstransistor parallel geschaltet und werden als Lowside-Schalter in der Halbbrückenschaltung verwendet. Der Gateanschluss des ersten Leistungstransistors und der Gateanschluss des zweite Leistungstransistors können dabei parallel geschaltet sein und der Gateanschluss des dritten Leistungstransistors und der Gateanschluss des vierten Leistungstransistors können parallel geschaltet sein.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug handeln. Dazu kann eine von einer Energiequelle, beispielsweise einer Batterie, bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Antreiben einer elektrischen Maschine gewandelt werden. In diesem Zusammenhang kann die Schaltungsvorrichtung verwendet werden. Beispielsweise können die Leistungstransistoren der Halbbrückenschaltung unter Verwendung der Gatetreibereinrichtung so angesteuert werden, dass unter Verwendung einer zwischen den Gleichspannungsanschlüssen anliegende Gleichspannung ein an dem Wechselspannungsanschluss anliegendes Spannungspotential einer Wechselspannung generiert wird, oder umgekehrt. Die Gatetreibereinrichtung kann auch als Gatetreiber bezeichnet werden. Die Spannungssignale können vorteilhafterweise verwendet werden, um einen fehlerhaften Zustand der Brückenschaltung zu erkennen.
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Gemäß einer Ausführungsform können die erste Parallelschaltung und die zweite Parallelschaltung der Halbbrückenschaltung jeweils einen weiteren parallelgeschalteten Leistungstransistor, insbesondere einen weiteren MOSFET, umfassen, die entsprechend verschaltet und unter Verwendung der Gatetreibereinrichtung geschaltet und überwacht werden können.
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Die Schaltungsvorrichtung kann eine Abschalteinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des ersten Spannungssignals, des zweiten
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Spannungssignals, des dritten Spannungssignals und des vierten Spannungssignals ein Abschaltsignal zum Abschalten der Gatetreibereinrichtung bereitzustellen. Vorteilhafterweise kann die Gatetreibereinrichtung und somit die Brückenschaltung abgeschaltet werden, wenn zumindest eines der Spannungssignale eine von einem Normalzustand abweichendes Spannungspotential oder einen von einem Normalverlauf abweichenden zeitlichen Spannungsverlauf anzeigt.
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Beispielsweise kann die Abschalteinrichtung ausgebildet sein, um das Abschaltsignal abhängig von einem Ergebnis eines Vergleichs der Spannungssignale mit zumindest einem Schwellenwert bereitzustellen. Optional kann jedes der Spannungssignale unter Verwendung eines geeigneten Schwellenwerts überwacht werden. Durch einen entsprechenden Vergleich kann einfach eine Abweichung von einem Normalzustand erkannt werden.
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Die Schaltungsvorrichtung kann einen ersten Verbindungswiderstand aufweisen der zwischen den Gateanschluss und den Kelvinsourceanschluss des ersten Leistungstransistors geschaltet ist, einen zweiten Verbindungswiderstand aufweisen der zwischen den Gateanschluss und den Kelvinsourceanschluss des zweiten Leistungstransistors geschaltet ist, einen dritten Verbindungswiderstand aufweisen, der zwischen den Gateanschluss und den Kelvinsourceanschluss des dritten Leistungstransistors geschaltet ist, und einem vierten Verbindungswiderstand aufweisen der zwischen den Gateanschluss und den Kelvinsourceanschluss des vierten Leistungstransistors geschaltet ist.
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Ein Drainanschluss des ersten Leistungstransistors und ein Drainanschluss des zweiten Leistungstransistors können mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden sein, ein Sourceanschluss des ersten Leistungstransistors und ein Sourceanschluss des zweiten Leistungstransistors mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden sein, ein Drainanschluss des dritten Leistungstransistors und ein Drainanschluss des vierten Leistungstransistors mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden sein, und ein Sourceanschluss des dritten Leistungstransistors und ein Sourceanschluss des vierten Leistungstransistors mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden sein. Somit kann auf eine bekannte Verschaltung von Leistungstransistoren in einer Brückenschaltung zurückgegriffen werden.
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Die Gatetreibereinrichtung kann ausgebildet sein, um den ersten Spannungsabfall, den zweiten Spannungsabfall, den dritten Spannungsabfall und den vierten Spannungsabfall zu messen. Gemessen wird gemäß einer Ausführungsform der Ausgleichsstrom, der sich zwischen den einzelnen Source-Verbindungen ergibt. Dieser Ausgleichsstrom sorgt für einen Spannungsabfall, der über eine Spannungsmessung des Gatetreibers erfasst werden kann. Ein beispielhaft für die Gatetreibereinrichtung eingesetzter Gatetreiber besitzt mehrere Analog-Eingangs-Pins, die zum Auslesen von Temperatursignalen oder Stromsignalen verwendet werden können. Zusätzlich hat der Gate-Treiber noch einen Kanal, der für allgemeine Spannungsmessung verwendet werden kann. Auf der HV-Seite misst der Gatetreiber eine analoge Spannung ein und kann diese auf der LV-Seite beispielsweise über SPI ausgeben.
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Die Gatetreibereinrichtung kann somit ausgebildet sein, um das erste Spannungssignal, das zweite Spannungssignal, das dritte Spannungssignal und das vierte Spannungssignal als digitale Signale bereitzustellen. Dies erleichtert die Auswertung der Spannungssignale.
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Die Kelvinsource-Widerstände können jeweils einen Widerstandswert zwischen 0,5Ohm und 2Ohm aufweisen. Dadurch können an den Widerständen auftretende Verlust gering gehalten werden.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, für ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltungsvorrichtung. Der Stromrichter zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaltungsvorrichtung wie beschrieben ausgebildet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einem Wechselrichter. Der elektrischen Achsantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass der Stromrichter wie beschrieben ausgebildet ist.
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Die Getriebeeinrichtung kann ein Getriebe zum Reduzieren der Drehzahl der elektrischen Maschine sowie ein Differenzial aufweisen.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantrieb und/oder einem Stromrichter. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrische Achsantrieb und/oder der Stromrichter wie beschrieben ausgebildet ist.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsvorrichtung für einen Wechselrichter für ein Fahrzeug, wobei die Schaltungsvorrichtung einen ersten Gleichspannungsanschluss, einen zweiten Gleichspannungsanschluss und einen Wechselspannungsanschluss, eine Halbbrückenschaltung aus einer zwischen den ersten Gleichspannungsanschluss und den Wechselspannungsanschluss geschalteten ersten Parallelschaltung aus einem ersten Leistungstransistor, insbesondere einem ersten MOSFET, und einem zweiten Leistungstransistor, insbesondere einem zweiten MOSFET, sowie einer zwischen den Wechselspannungsanschluss und den zweiten Gleichspannungsanschluss geschalteten zweiten Parallelschaltung aus einem dritten Leistungstransistor, insbesondere einem dritten MOSFET, und einem vierten Leistungstransistor, insbesondere einem vierten MOSFET, einen ersten Gatekontakt, der mit einem Gateanschluss des ersten Leistungstransistors und einem Gateanschluss des zweiten Leistungstransistors verbunden ist, sowie einen zweiten Gatekontakt, der mit einem Gateanschluss des dritten Leistungstransistors und einem Gateanschluss des vierten Leistungstransistors verbunden ist, und einen ersten Sourcekontakt, der über einen ersten Kelvinsource-Widerstand mit einem Kelvinsourceanschluss des ersten Leistungstransistors und über einen zweiten Kelvinsource-Widerstand mit einem Kelvinsourceanschluss des zweiten Leistungstransistors verbunden ist, sowie einen zweiten Sourcekontakt, der über einen dritten Kelvinsource-Widerstand mit einem Kelvinsourceanschluss des dritten Leistungstransistors und über einen vierten Kelvinsource-Widerstand mit einem Kelvinsourceanschluss des vierten Leistungstransistors verbunden ist, aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
- Beaufschlagen des ersten Gatekontakts mit einer ersten Gatespannung zum Schalten des ersten Leistungstransistors und des zweiten Leistungstransistors sowie des zweiten Gatekontakt mit einer zweiten Gatespannung zum Schalten des dritten Leistungstransistors und des vierten Leistungstransistors; und
- Bereitstellen eines ersten Spannungssignals, das einen ersten Spannungsabfall an dem ersten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, eines zweiten Spannungssignals, das einen zweiten Spannungsabfall an dem zweiten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, eines dritten Spannungssignals, das einen dritten Spannungsabfall an dem dritten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, und eines vierten Spannungssignals, das einen vierten Spannungsabfall an dem vierten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert.
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Vorteilhafterweise können die Schritte des Beaufschlagens und Bereitstellens unter Verwendung einer geeigneten Gatetreibereinrichtung ausgeführt werden. Optional kann in einem Schritt des Abschaltens ein Abschaltsignal unter Verwendung der Spannungssignale ausgegeben werden, das zu einem Abschalten des Betriebs der Brückenschaltung führen kann. Beispielsweise kann ein entsprechendes Abschaltsignal zum Abschalten der Gatetreibereinrichtung verwendet werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt.
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Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs;
- 2 ein Schaltbild einer Halbbrückenschaltung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsvorrichtung;
- 3 Schaltbilder von Anschlussschaltungen eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsvorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsvorrichtung;
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Schaltungsvorrichtung;
- 6 Darstellungen von Signalverläufe eines Ausführungsbeispiels eines normalen Zustands einer Schaltungsvorrichtung; und
- 7 Darstellungen von Signalverläufe eines Ausführungsbeispiels eines fehlerhaften Zustands einer Schaltungsvorrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 100, beispielsweise einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen. Das Fahrzeug 100 weist einen elektrischen Achsantrieb zum Antreiben von Rädern des Fahrzeugs 100 auf. Der elektrische Achsantrieb umfasst eine elektrische Maschine 104, optional eine Getriebeeinrichtung 106 und einen Stromrichter 108. Das Fahrzeug 100 weist weiterhin eine Energieversorgungseinrichtung 110 auf, beispiels- weise eine Batterie. Der Stromrichter 108 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen die Energieversorgungseinrichtung 110 und die fremderregte Synchronmaschine 104 geschaltet und ausgebildet, um eine von der Energieversorgungseinrichtung 110 bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung, zu wandeln und an die elektrische Maschine 104 bereitzustellen. Die elektrische Maschine 104 ist ausgebildet, um angetrieben durch die Wechselspannung ein Drehmoment zum Antreiben zumindest eines Rads des Fahrzeugs 100 bereitzustellen. Dazu ist die elektrische Maschine 104 entweder über die Getriebeeinrichtung 106 oder direkt mit einer Achse oder zumindest einem Rad des Fahrzeugs 100 verbunden.
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Das Fahrzeug umfasst ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsvorrichtung 120, wie sie anhand der nachfolgenden Figuren detailliert beschrieben ist. Beispielhaft ist die Schaltungsvorrichtung 120 als ein Bestandteil des Stromrichters 108 ausgeführt. Beispielsweise wird die Schaltungsvorrichtung 120 verwendet, um die von der Energieversorgungseinrichtung 110 bereitgestellte Gleichspannung in eine Phase der Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine 104 zu wandeln.
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2 zeigt ein Schaltbild einer Halbbrückenschaltung 220 eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsvorrichtung, wie sie beispielsweise in 1 genannt ist. Zusätzlich zu den Schaltungselementen der Halbbrückenschaltung 220 sind parasitäre Induktivitäten dargestellt.
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Die Halbbrückenschaltung 220 ist zwischen einen ersten Gleichspannungsanschluss 221, einen zweiten Gleichspannungsanschluss 222 und einen Wechselspannungsanschluss 224 geschaltet. Der erste Gleichspannungsanschluss 221 wird auch als Hochvolt-Gleichspannungsanschluss HV_DC bezeichnet, der zweite Gleichspannungsanschluss 222 wird auch als Hochvolt-Masseanschluss HV_GND bezeichnet, und der Wechselspannungsanschluss 224 wird auch als AC bezeichnet.
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Die Halbbrückenschaltung 220 umfasst eine zwischen den ersten Gleichspannungsanschluss 221 und den Wechselspannungsanschluss 224 geschaltete erste Parallelschaltung aus einem ersten Leistungstransistor 231, hier einem ersten MOSFET, und einem zweiten Leistungstransistor 232, hier einem zweiten MOSFET auf. Ferner umfasst die Halbbrückenschaltung 220 eine zwischen den Wechselspannungsanschluss 224 und den zweiten Gleichspannungsanschluss 222 geschaltete zweite Parallelschaltung aus einem dritten Leistungstransistor 233, hier einem dritten MOSFET und einem vierten Leistungstransistor 234, hier einem vierten MOSFET.
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In der gezeigten Verschaltung sind ein Drainanschluss 241 des ersten Leistungstransistors 231 und ein Drainanschluss 242 des zweiten Leistungstransistors 232 mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 221 verbunden. Ein Sourceanschluss 243 des ersten Leistungstransistors 231 und ein Sourceanschluss 244 des zweiten Leistungstransistors 232 sind mit dem Wechselspannungsanschluss 224 verbunden. Ein Drainanschluss 245 des dritten Leistungstransistors 233 und ein Drainanschluss 246 des vierten Leistungstransistors 234 sind mit dem Wechselspannungsanschluss 224 verbunden. Ein Sourceanschluss 247 des dritten Leistungstransistors 233 und ein Sourceanschluss 248 des vierten Leistungstransistors 234 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein erster Verbindungswiderstand 250 zwischen einen Gateanschluss 251 und einen Kelvinsourceanschluss 252 des ersten Leistungstransistors 231 geschaltet. Ein zweiter Verbindungswiderstand 254 ist zwischen einen Gateanschluss 255 und einen Kelvinsourceanschluss 256 des zweiten Leistungstransistors 232 geschaltet. Ein dritter Verbindungswiderstand 260 ist zwischen einen Gateanschluss 261 und einen Kelvinsourceanschluss 262 des dritten Leistungstransistors 233 geschaltet. Ein vierter Verbindungswiderstand 264 ist zwischen einen Gateanschluss 265 und einen Kelvinsourceanschluss 266 des vierten Leistungstransistors 234 geschaltet. Beispielhaft weisen die Verbindungswiderstände 250, 254, 260, 264 jeweils einen Widerstandswert zwischen 10kOhm und 50kOhm, beispielsweise einen Widerstandswert von 22kOhm auf.
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3 zeigt eine Anschlussschaltung 320 für eine Brückenschaltung, wie sie in 2 gezeigt ist. Das Anschlussschaltung 320 umfasst eine erste Gateschaltung 371 und eine zweite Gateschaltung 372. Ferner ist eine weitere Schaltung 373 gezeigt. Zusätzlich zu den Schaltungselementen der Schaltungen 371, 372, 373 sind parasitäre Induktivitäten dargestellt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sorgt bei der weiteren Schaltung 373 eine Beschaltung an einem Anschluss 390 für ein aktives Miller Clamping an beiden diskreten Gateanschlüssen 251, 255. Durch die Trennung der Dioden 391, 392 kann ein Kurzschluss des Einzelgatewiderstands 251, 255, 261, 265 verhindert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann durch eine Beschaltung am Anschluss 395 direkt am Gate der Spannungsunterschwinger der Gates am passiven Schalter (während der gegenüberliegende Schalter z.B. Highside eingeschaltet ist, ist der andere MOSFET Lowside passiv) reduziert werden.
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Ein erster Gatekontakt 374 der erste Gateschaltung 371 ist mit dem in 2 gezeigten Gateanschluss 251 des ersten Leistungstransistors und dem Gateanschluss 255 des zweiten Leistungstransistors 232 verbunden. Somit sind der Gateanschluss 251 des ersten Leistungstransistors und der Gateanschluss 255 des zweiten Leistungstransistors 232 parallel geschaltet. Ein zweiter Gatekontakt 376 der zweiten Gateschaltung 372 ist mit dem Gateanschluss 261 des dritten Leistungstransistors und dem Gateanschluss 265 des vierten Leistungstransistors verbunden. Somit sind der Gateanschluss 261 des dritten Leistungstransistors und der Gateanschluss 265 des vierten Leistungstransistors parallel geschaltet.
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Ein erster Sourcekontakt 375 der erste Gateschaltung 371 ist über einen ersten Kelvinsource-Widerstand 380 mit dem Kelvinsourceanschluss 252 des ersten Leistungstransistors und über einen zweiten Kelvinsource-Widerstand 381 mit dem Kelvinsourceanschluss 256 des zweiten Leistungstransistors verbunden. Ein zweiter Sourcekontakt 377 der zweiten Gateschaltung 372 ist über einen dritten Kelvinsource-Widerstand 382 mit dem Kelvinsourceanschluss 262 des dritten Leistungstransistors und über einen vierten Kelvinsource-Widerstand 384 mit dem Kelvinsourceanschluss des vierten Leistungstransistors verbunden. Somit sind der Kelvinsourceanschluss 252 des ersten Leistungstransistors und der Kelvinsourceanschluss 256 des zweiten Leistungstransistors parallel geschaltet. Somit sind der Kelvinsourceanschluss 262 des dritten Leistungstransistors und der Kelvinsourceanschluss des vierten Leistungstransistors parallel geschaltet.
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Lediglich beispielhaft weisen die Kelvinsource-Widerstände jeweils einen Widerstandswert von 1Ohm auf.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsvorrichtung 120, wie sie beispielsweise anhand von 1 beschrieben ist. Die Schaltungsvorrichtung 120 umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel die anhand von 2 beschriebene Halbbrückenschaltung 220 sowie die anhand von 3 beschriebene Anschlussschaltung 320 sowie eine Gatetreibereinrichtung 420.
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Die Gatetreibereinrichtung 420 ist mit dem ersten Gatekontakt 374, dem ersten Sourcekontakt 375, dem zweiten Gatekontakt 376 und dem zweiten Sourcekontakt 377 verbunden.
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Die Gatetreibereinrichtung 420 ist ausgebildet ist, um eine erste Gatespannung zum Schalten des ersten Leistungstransistors und des zweiten Leistungstransistors an den ersten Gatekontakt 374 anzulegen und eine zweite Gatespannung zum Schalten des dritten Leistungstransistors und des vierten Leistungstransistors an den zweiten Gatekontakt 375 anzulegen.
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Ferner ist die Gatetreibereinrichtung 420 ausgebildet, um Spannungsabfälle an den in 3 dargestellten Kelvinsource-Widerständen zu erfassen und ein erstes Spannungssignal 431 bereitzustellen, das einen ersten Spannungsabfall an dem ersten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, ein zweites Spannungssignal 432 bereitzustellen, das einen zweiten Spannungsabfall an dem zweiten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, ein drittes Spannungssignal 433 bereitzustellen, das einen dritten Spannungsabfall an dem dritten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, und ein viertes Spannungssignal 434 bereitzustellen, das einen vierten Spannungsabfall an dem vierten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert.
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Optional ist die Gatetreibereinrichtung 420 ausgebildet, um an den Kelvinsource-Widerständen abfallende Spannungen analog zu messen und die gemessenen analogen Spannungsabfälle einer analog-digital Wandlung zu unterziehen und die Spannungssignale 431, 432, 433, 434 als digitale Signale bereitzustellen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die ist die Gatetreibereinrichtung 420 ausgebildet, um einen Ausgleichsstrom zu messen, der sich zwischen den einzelnen Source-Verbindungen ergibt. Dieser Ausgleichsstrom sorgt für einen Spannungsabfall, der über eine von der Gatetreibereinrichtung 420 durchführbaren Spannungsmessung erfasst werden kann. Ein für die Gatetreibereinrichtung 420 gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzter Gate-Treiber besitzt mehrere Analog-Eingangs- Pins, die zum Auslesen von Temperatursignalen oder Stromsignalen verwendet wer- den können. Zusätzlich hat der Gate-Treiber noch einen Kanal, der für eine allgemeine Spannungsmessung verwendet werden kann. Auf der HV-Seite misst der Gatetreiber gemäß einem Ausführungsbeispiel eine analoge Spannung ein und kann diese auf der LV-Seite über eine Schnittstelle, beispielsweise über SPI, ausgeben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schaltungsvorrichtung 120 eine Abschalteinrichtung 440, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des ersten Spannungssignals 431, des zweiten Spannungssignals 432, des dritten Spannungssignals 433 und des vierten Spannungssignals 434 ein Abschaltsignal 442 zum Abschalten der Gatetreibereinrichtung 420 bereitzustellen. Dazu ist die Abschalteinrichtung 440 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, um die Spannungssignale 431, 432, 433, 434 jeweils separat oder gemeinsam mit zumindest einem Schwellenwert zu vergleichen und abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs oder der Vergleiche das Abschaltsignal 442 bereitzustellen. Beispielsweise ist die Abschalteinrichtung 440 ausgebildet, um das Abschaltsignal 442 bereitzustellen, wenn zumindest eines der Spannungssignale 431, 432, 433, 434 einen Spannungswert anzeigt, der außer- halb eines Normalzustands liegt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Abschalteinrichtung 440 ausgebildet, um zusammen mit dem Abschaltsignal 442 ein Warnsignals 444 auszugeben, mit dem beispielsweise eine Warneinrichtung 450 angesteuert wird, um eine Warnung beispielsweise an einen Fahrer eines Fahrzeugs auszugeben.
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Der beschriebene Ansatz ermöglicht eine sogenannte Bondwire Single Point Failure Detection. Dies ermöglicht das Erkennen des Ausfalls eines einzelnen Leistungs- MOSFETs, beispielsweise eines der in 2 gezeigten Leistungstransistoren, in einer parallelen Anwendung wie einer Leistungsendstufe, die aus diskreten Halbleiterpackages besteht. Anhand von typischerweise auf einer Leiterplatte platzierten Widerständen und der auch als Gatedriver bezeichneten Gatetreibereinrichtung 420 kann der Ausfallzustand eines einzelnen Powermoduls erkannt werden. Dadurch kann eine Verbesserung der Sicherheit bei nur geringen Hardwareanpassungen erreicht werden.
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Eine entsprechende Leistungsendstufe, die aus diskreten Halbleiterpackages besteht kann dabei beispielsweise zwei oder drei parallelgeschaltete Dual Die Packages umfassen, um einen topologischen Schalter zu bilden. Zum Beispiel bildet die in 2 dargestellte Halbbrückenschaltung 220 eine Simulation eines topologischen Schalters ab, bei dem zwei Dual Die Packages parallel geschaltet sind. Dies wird auch als DDP2 bezeichnet. Zwei diskrete MOSFET-Schalter parallel bilden einen topologischen Schalter. Ein solcher Aufbau dient lediglich als Beispiel. Durch einen weiteren Analog-Digital-Wandler am Gatetreiber, also an der Gatetreibereinrichtung 420 kann eine zusätzliche Spannung eingelesen werden, sodass ein sogenannter DDP3-Aufbau aus einer Parallelschaltung von drei Dual Die Packages überwacht werden kann. Der hier beschriebene Ansatz funktioniert also auch für einen Aufbau, bei dem drei diskrete Halbleiterpackages parallelgeschaltet sind um einen topologischen Schalter zu bilden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine diskrete Leistungskern-Ausfallerkennung für eine Schaltung mit zwei parallelen diskreten MOSFETs (DDP2 Powercore) erreicht werden. Dazu wird ein Gate-Netzwerk mit den anhand von 3 beschriebenen Kelvin-Source-Widerständen 380, 381, 382, 384 verwendet.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer diskreten Halbbrücke DDP2, mit parasitären Induktivitäten können aufgrund von parasitären Effekten und Bauteiltoleranzen die beiden MOSFETs nicht gleichzeitig schalten. Das dynamische Schaltverhalten der beiden MOSFETs ist aufgrund der Source-Induktivität und der Schwellenspannungen nicht genau gleich. Das statische Leitungsverhalten ist aufgrund des unterschiedlichen RDSon nicht genau gleich.
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Aus diesem Grund sind die beiden Kelvin-Source-Anschlüsse mit einem Kelvin-Widerstand 380, 381, 382, 384 an jedem MOSFET verbunden (R11, R12, R13, R14). Während des normalen Schaltvorgangs fließt aufgrund der unterschiedlichen Potentiale am Source-Kontakt ein symmetrischer Strom zwischen den MOSFETs. Der Strom durch diese Kelvinsource-Widerstände hat den gleichen Wert, aber eine andere Richtung.
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Bei einem Ausfall aufgrund eines gebrochenen Bonddrahtes (die Stabilität des Bonddrahtes ist in der Regel der begrenzende Faktor für die Lebensdauer) oder eines Einzelpunktausfalls in einem SiC-Chip kann der Stromquellenkontakt im MOSFET, also in einem der Leistungstransistoren 231, 232, 233, 234 abgerissen werden. Infolgedessen ändert der Strom durch die Kelvin-Source-Widerstände seinen Wert und sein Verhalten während der Einschaltphase. Gemäß einem Ausführungsbeispiel bietet die Gatetreibereinrichtung 420 die Möglichkeit, analoge Spannungen auf der Hochvolt- Seite (HV) zu messen Die Messung erfolgt gemäß einem Ausführungsbeispiel über den Gatetreiber, also die Gatetreibereinrichtung 420, selbst, wobei der Gatetreiber durch seinen Aufbau auf der HV-Seite bereits analoge Spannungsmessungseingänge bereitstellt, die digital beispielsweise durch SPI auf die LV-Seite übertragen werden können.
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und diese digital auf der Niedervolt-Seite (LV) über eine geeignete Schnittstelle, beispielsweise SPI, auszugeben. Mit der richtigen Software-Reaktion auf die außerhalb des Bereichs liegende Spannung an den Kelvin-Source-Widerständen 380, 381, 382, 384 kann die Gatetreibereinrichtung 420 mit einer Fehlerreaktion, beispielsweise an das Fahrer-Cockpit, abgeschaltet werden. Dadurch können größere Ausfälle mit thermischen Ereignissen, beispielsweise im Wechselrichter, verhindert werden.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Schaltungsvorrichtung, wie sie beispielsweise anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist.
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In einem Schritt 501 wird der erste Gatekontakt mit der ersten Gatespannung zum Schalten des ersten Leistungstransistors und des zweiten Leistungstransistors beaufschlag. Ferner wird der zweite Gatekontakt mit der zweiten Gatespannung zum Schalten des dritten Leistungstransistors und des vierten Leistungstransistors beaufschlagt.
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In einem Schritt 503 werden das erste Spannungssignal, das den ersten Spannungsabfall an dem ersten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, das zweite Spannungssignal, das den zweiten Spannungsabfall an dem zweiten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, das dritte Spannungssignal, das den dritten Spannungsabfall an dem dritten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, und das vierte Spannungssignal, das den vierten Spannungsabfall an dem vierten Kelvinsource-Widerstand repräsentiert, bereitgestellt.
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Optional wird in einem Schritt 505 unter Verwendung der Spannungssignale ein Abschaltsignal bereitgestellt, beispielsweise um die Gatetreibereinrichtung und damit gemäß einem Ausführungsbeispiel die Leistungstransistoren abzuschalten.
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6 zeigt Darstellungen von simulierten Signalverläufen eines Ausführungsbeispiels eines normalen Zustands einer Schaltungsvorrichtung, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist.
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Ein erstes Signal 601 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(S1_LS_B) dar, also beispielsweise eine an dem Kelvinsourceanschluss 262 des dritten Leistungstransistors anliegende Spannung dar.
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Ein zweites Signal 602 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(S2_LS_B) dar, also beispielsweise eine an dem Kelvinsourceanschluss 266 des vierten Leistungstransistors anliegende Spannung dar.
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Bei den durch die Signale 601, 602 dargestellten Kurven handelt es sich jeweils um den Spannungsverlauf der Sourcewiderstände während des Schaltvorgangs. Zu erkennen hierbei ist eine symmetrische Aufteilung des Stromes im Schaltmoment.
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Ein drittes Signal 603 stellt einen zeitlichen Verlauf eines Stroms I(L_load) dar, beispielsweise eines Stroms über einen in 2 dargestellten Widerstand zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss 222 und dem Wechselspannungsanschluss 224.
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Ein viertes Signal 604 stellt einen zeitlichen Verlauf eines Stroms I(L_s1) dar. Ein fünftes Signal 605 stellt einen zeitlichen Verlauf eines Stroms I(L_s2) dar. Die Signale 604, 605 stellen den Stromverlauf parallelgeschalteter Halbleiter dar. Die Stromaufteilung ist nicht 100% symmetrisch aufgrund parasitärer unterschiedlicher Eigenschaften der einzelnen Mosfets. Trotzdem ist das Schaltverhalten annähernd parallel und es liegt eine parallele Stromaufteilung vor.
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Ein sechstes Signal 606 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(HSD1_B, S1_HS_B) dar.
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Ein siebtes Signal 607 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(HSD2_B, S2_HS_B) dar.
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Die Signale 606, 607 stellen den Spannungsverlauf über die parallelen Schalter dar.
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Ein achtes Signal 608 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(G1_LS_B, S1_LS_B) dar.
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Ein neuntes Signal 609 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(G2_LS_B, S2_LS_B) dar.
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Die Signale 608, 609 stellen den Gate-Source Spannungsverlauf beim Abschalten der beiden Lowside Mosfets dar. Hierbei ist auch eine leichte Asymmetrie erkennbar aufgrund der parasitären Eigenschaften.
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7 zeigt Darstellungen von simulierten Signalverläufen eines Ausführungsbeispiels eines fehlerhaften Zustands einer Schaltungsvorrichtung, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist.
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Ein erstes Signal 701 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(S1_LS_B) dar, also beispielsweise eine an dem Kelvinsourceanschluss 262 des dritten Leistungstransistors anliegende Spannung dar.
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Ein zweites Signal 702 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(S2_LS_B) dar, also beispielsweise eine an dem Kelvinsourceanschluss 266 des vierten Leistungstransistors anliegende Spannung dar.
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Ein drittes Signal 703 stellt einen zeitlichen Verlauf eines Stroms I(L_load) dar, beispielsweise einen Strom über einen in 2 dargestellten Widerstand zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss 222 und dem Wechselspannungsanschluss 224.
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Ein viertes Signal 704 stellt einen zeitlichen Verlauf eines Stroms I(L_s1) dar. Ein fünftes Signal 705 stellt einen zeitlichen Verlauf eines Stroms I(L_s2) dar.
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Ein sechstes Signal 706 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(HSD1_B, S1_HS_B) dar.
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Ein siebtes Signal 707 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(HSD2_B, S2_HS_B) dar.
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Ein achtes Signal 708 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(G1_LS_B, S1_LS_B) dar.
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Ein neuntes Signal 709 stellt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung V(G2_LS_B, S2_LS_B) dar.
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Die in 7 dargestellten simulierten Spannungen sind wieder gleich angeordnet wie in 6, Hierbei ist allerdings ein Bonddraht-Ausfall simuliert. Dadurch ist keine Ansteuerung eines parallelen Mosfets mehr möglich, sodass ein Mosfet den gesamten Strom trägt. Anhand des Signals 704 ist erkennbar kein Strom mehr durch den Mosfet geführt. Der durch das Signal 705 abgebildete Mosfet Kanal trägt den gesamten Laststrom, der durch das Signal 703 dargestellt ist. Hierbei ändert sich der Spannungsverlauf zwischen den Signalen 701 und 702. Während der Leitphase zwischen 1µs bis 13µs ergibt sich eine Differenzspannung über die beiden Kelvin-Source Widerstände. Durch Auswertung dieser Spannung (ist in 6 nicht so -> keine Spannungsdifferenz zwischen 701 und 701 während der Leitphase) ist der Ausfall erkennbar. Eine Auswertung ist hier mit DDP2 gezeigt, funktioniert allerdings auch mit DDP3.
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Bezugszeichen
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- 100
- Fahrzeug
- 104
- elektrische Maschine
- 106
- Getriebeeinrichtung
- 108
- Stromrichter
- 110
- Energieversorgungseinrichtung
- 120
- Schaltungsvorrichtung
- 220
- Halbbrückenschaltung
- 221
- erster Gleichspannungsanschluss
- 222
- zweiter Gleichspannungsanschluss
- 224
- Wechselspannungsanschluss
- 231
- erster Leistungstransistor
- 232
- zweiter Leistungstransistor
- 233
- dritter Leistungstransistor
- 234
- vierter Leistungstransistor
- 241
- Drainanschluss des ersten Leistungstransistors
- 242
- Drainanschluss des zweiten Leistungstransistors
- 243
- Sourceanschluss des ersten Leistungstransistors
- 244
- Sourceanschluss des zweiten Leistungstransistors
- 245
- Drainanschluss des dritten Leistungstransistors
- 246
- Drainanschluss des vierten Leistungstransistors
- 247
- Sourceanschluss des dritten Leistungstransistors
- 248
- Sourceanschluss des vierten Leistungstransistors
- 250
- erster Verbindungswiderstand
- 251
- Gateanschluss des ersten Leistungstransistors
- 252
- Kelvinsourceanschluss des ersten Leistungstransistors
- 254
- zweiter Verbindungswiderstand
- 255
- Gateanschluss des zweiten Leistungstransistors
- 256
- Kelvinsourceanschluss des zweiten Leistungstransistors
- 260
- dritter Verbindungswiderstand
- 261
- Gateanschluss des dritten Leistungstransistors
- 262
- Kelvinsourceanschluss des dritten Leistungstransistors
- 264
- vierter Verbindungswiderstand
- 265
- Gateanschluss des vierten Leistungstransistors
- 266
- Kelvinsourceanschluss des vierten Leistungstransistors
- 320
- Anschlussschaltung
- 371
- erste Gateschaltung
- 372
- zweite Gateschaltung
- 373
- weitere Schaltung
- 374
- erster Gatekontakt
- 375
- erster Sourcekontakt
- 376
- zweiter Gatekontakt
- 377
- zweiter Sourcekontakt
- 380
- erster Kelvinsource-Widerstand
- 381
- zweiter Kelvinsource-Widerstand
- 382
- dritter Kelvinsource-Widerstand
- 384
- vierter Kelvinsource-Widerstand
- 390
- Anschluss
- 391
- Diode
- 392
- Diode
- 395
- Anschluss
- 420
- Gatetreibereinrichtung
- 431
- erstes Spannungssignal
- 432
- zweites Spannungssignal
- 433
- drittes Spannungssignal
- 434
- viertes Spannungssignal
- 440
- Abschalteinrichtung
- 442
- Abschaltsignal
- 444
- Warnsignal
- 450
- Warneinrichtung
- 501
- Schritt des Beaufschlagens
- 503
- Schritt des Bereitstellens der Spannungssignale
- 505
- Schritt des Bereitstellens des Abschaltsignals
- 601
- erstes Signal
- 602
- zweites Signal
- 603
- drittes Signal
- 604
- viertes Signal
- 605
- fünftes Signal
- 606
- sechstes Signal
- 607
- siebtes Signal
- 608
- achtes Signal
- 609
- neuntes Signal
- 701
- erstes Signal
- 702
- zweites Signal
- 703
- drittes Signal
- 704
- viertes Signal
- 705
- fünftes Signal
- 706
- sechstes Signal
- 707
- siebtes Signal
- 708
- achtes Signal
- 709
- neuntes Signal