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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung von Halbleiterschaltelementen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Leistungsmodul mit einer solchen Vorrichtung sowie einen elektrischen Stromrichter.
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Stand der Technik
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Elektrische Stromrichter verwenden in der Regel mehrere Halbbrücken mit Halbleiterschaltelement, welche jeweils gezielt geöffnet und geschlossen werden. Hierdurch kann beispielsweise eine an einem Eingangsanschluss eines Stromrichters bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige elektrische Wechselspannung konvertiert werden. Für hohe elektrische Leistungen können dabei in den Halbbrücken jeweils mehrere Halbleiterschaltelement parallel geschaltet werden.
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Während des Betriebs eines solchen Stromrichters ist es wünschenswert, mögliche Fehler in Halbleiterschaltelementen, wie beispielsweise ein Kurzschluss bzw. ein Durchlegieren von Halbleiterschaltelement zuverlässig zu detektieren.
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Die Druckschrift
DE 10 2017 106 181 A1 beschreibt beispielsweise eine Treiberschaltung für Transistorbrücken mit einer Kurzschluss- und/oder Leerlaufdetektion
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung von Halbleiterschaltelementen, ein Leistungsmodul sowie einen elektrischen Stromrichter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- Eine Vorrichtung zur Überwachung von Halbleiterschaltelementen in einer Halbbrücke. Die Halbbrücke umfasst hierbei mehrere obere Halbleiterschaltelemente und mehrere untere Halbleiterschaltelemente. Die mehreren oberen Halbleiterschaltelemente sind jeweils zwischen einem positiven Anschlusspunkt und einem Knotenpunkt angeordnet. Die mehreren unteren Halbleiterschaltelemente sind jeweils zwischen dem Knotenpunkt und einem negativen Anschlusspunkt angeordnet. Die Gateanschlüsse der oberen Halbleiterschaltelemente sind mit einer ersten Treiberschaltung elektrisch gekoppelt. Analog sind die Gateanschlüsse der unteren Halbleiterschaltelemente mit einer zweiten Treiberschaltung elektrisch gekoppelt. Die erste Treiberschaltung ist dazu ausgelegt, Ansteuersignale für die oberen Halbleiterschaltelemente bereitzustellen. Entsprechend ist die zweite Treiberschaltung dazu ausgelegt, Ansteuersignale für die unteren Halbleiterschaltelemente bereitzustellen. Ferner ist zwischen einem Bezugspotential der ersten Treiberschaltung und Sourceanschlüssen der oberen Halbleiterschaltelemente jeweils ein erster elektrischer Widerstand angeordnet ist. Ebenso ist zwischen einem weiteren Bezugspotential der zweiten Treiberschaltung und Sourceanschlüssen der unteren Halbleiterschaltelemente jeweils ein zweiter elektrischer Widerstand angeordnet. Die Vorrichtung zur Überwachung der Halbleiterschaltelemente umfasst eine erste Überwachungseinrichtung und eine zweite Überwachungseinrichtung. Die erste Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Fehlfunktion in einem der oberen Halbleiterschaltelemente zu detektieren, falls ein Spannungsabfall über einen der ersten elektrischen Widerstände einem ersten vorbestimmten Wert überschreitet. Die zweite Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Fehlfunktion in einem der unteren Halbleiterschaltelemente zu detektieren, falls ein Spannungsabfall über einem der zweiten elektrischen Widerstände einen zweiten vorbestimmten Wert überschreitet.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Ein Leistungsmodul mit einer Halbbrücke, wobei die Halbbrücke mehrere obere Halbleiterschaltelemente und mehrere untere Halbleiterschaltelemente umfasst. Die mehreren oberen Halbleiterschaltelemente sind jeweils zwischen einem positiven Anschlusspunkt und einem Knotenpunkt angeordnet. Ferner sind die mehrere untere Halbleiterschaltelemente jeweils zwischen dem Knotenpunkt und einem negativen Anschlusspunkt angeordnet. Die Gateanschlüsse der oberen Halbleiterschaltelemente sind mit einer ersten Treiberschaltung elektrisch gekoppelt. Die Gateanschlüsse der unteren Halbleiterschaltelemente sind mit einer zweiten Treiberschaltung elektrisch gekoppelt. Die erste Treiberschaltung ist dazu ausgelegt, Ansteuersignale für die oberen Halbleiterschaltelemente bereitzustellen. Die die zweite Treiberschaltung ist dazu ausgelegt, Ansteuersignale für die unteren Halbleiterschaltelemente bereitzustellen. Zwischen einem Bezugspotential der ersten Treiberschaltung und Sourceanschlüssen der oberen Halbleiterschaltelemente ist jeweils ein erster elektrischer Widerstand angeordnet. Analog ist zwischen einem weiteren Bezugspotential der zweiten Treiberschaltung und Sourceanschlüssen der unteren Halbleiterschaltelemente jeweils ein zweiter elektrischer Widerstand angeordnet. Das Leistungsmodul umfasst ferner eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung der Halbleiterschaltelemente.
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Ferner ist vorgesehen:
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Ein elektrischer Stromrichter mit mehreren erfindungsgemäßen Leistungsmodulen.
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Schließlich ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zur Überwachung von Halbleiterschaltelement in einer Halbbrücke, wobei die Halbbrücke mehrere obere und untere Halbleiterschaltelement umfasst. Die mehreren oberen Halbleiterschaltelemente sind jeweils zwischen einem positiven Anschlusspunkt und einem Knotenpunkt angeordnet. Die mehreren unteren Halbleiterschaltelemente sind jeweils zwischen dem Knotenpunkt und einem negativen Anschlusspunkt angeordnet. Die Gateanschlüsse der oberen Halbleiterschaltelemente sind mit einer ersten Treiberschaltung elektrisch gekoppelt. Analog sind die Gateanschlüsse der unteren Halbleiterschaltelemente mit einer zweiten Treiberschaltung elektrisch gekoppelt. Die erste Treiberschaltung ist dazu ausgelegt, Ansteuersignale für die oberen Halbleiterschaltelemente bereitzustellen. Entsprechend ist die zweite Treiberschaltung dazu ausgelegt, Ansteuersignale für die unteren Halbleiterschaltelemente bereitzustellen. Ferner ist zwischen einem Bezugspotential der ersten Treiberschaltung und Sourceanschlüssen der oberen Halbleiterschaltelemente jeweils ein erster elektrischer Widerstand angeordnet ist. Ebenso ist zwischen einem weiteren Bezugspotential der zweiten Treiberschaltung und Sourceanschlüssen der unteren Halbleiterschaltelemente jeweils ein zweiter elektrischer Widerstand angeordnet. Das Verfahren ist in der Lage eine Fehlfunktion in einem der Halbleiterschaltelemente zu detektieren, falls ein Spannungsabfall über einem der elektrischen Widerstände zwischen den Sourceanschlüssen und dem Bezugspotential der ersten Treiberstufe oder der zweiten Treiberstufe einem vorbestimmten Wert überschreitet.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Überwachung und Fehlerdetektion von Halbleiterschaltelement in Halbbrücken von Leistungsmodulen, wie sie beispielsweise in elektrischen Stromrichter eingesetzt werden, eine große Bedeutung zukommt. Hierbei ist insbesondere eine einfach zu realisierende, schnelle und zuverlässige Detektion von Kurzschlüssen, wie sie beispielsweise beim Durchlegieren von Halbleiterschaltelementen auftreten können, wünschenswert.
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Die vorliegende Erfindung macht sich dabei bereits bestehende Schaltungsstrukturen von Halbbrücken mit mehreren parallel angeordneten Halbleiter Schaltelementen zu Nutze. Erfindungsgemäße kann dabei eine schnelle, zuverlässige Detektion von Kurzschlüssen in Halbleiterschaltelement bei Halbbrücken mit mehreren parallel angeordneten Halbleiterschaltelement durch eine einfache Auswerteschaltung realisiert werden, welche Potenziale der bestehenden Schaltungsstruktur analysiert. Hierdurch ist eine kostengünstige, schnelle und zuverlässige Detektion von Kurzschlüssen in Halbleiterschaltelementen bei Halbbrücken mit mehreren parallel angeordneten Halbleiterschaltelementen möglich.
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Aufgrund der parasitären Eigenschaften in den Leitungsabschnitten welche an den Sourceanschlüssen der Halbleiterschaltelement angeschlossen sind, wie beispielsweise parasitäre Induktivitäten, kommt es über diesen Leitungsabschnitt zu Spannungsabfällen. Insbesondere steigt dabei der Spannungsabfalls über einem solchen Leitungsabschnitt bei einem Kurzschluss aufgrund eines fehlerhaften Halbleiterschaltelements signifikant an. Ein solcher erhöhter Spannungsabfalls kann durch die erfindungsgemäße Überwachung detektiert und somit ein Fehler in dem Halbleiterschaltelement erkannt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste Überwachungseinrichtung und die zweite Überwachungseinrichtung jeweils einen Überwachungswiderstand und mehrere Kondensatoren. Der Überwachungswiderstand einer solchen Überwachungseinrichtung ist jeweils zwischen einem ersten Testpunkt und einem zweiten Testpunkt angeordnet. Ferner sind die mehreren Kondensatoren jeweils zwischen einem der Sourceanschlüsse eines Halbleiterschaltelements und dem ersten Testpunkt oder dem zweiten Testpunkt angeordnet sind. Hierbei ist an jedem der beiden Testpunkte mindestens ein Kondensator angeschlossen. Bei einer geraden Anzahl von zu überwachenden Halbleiterschaltelement können beispielsweise die Hälfte der Sourceanschlüsse der zu überwachenden Halbleiterschaltelemente über Kondensatoren mit dem ersten Testpunkt gekoppelt werden, und die andere Hälfte der Sourceanschlüsse kann über Kondensatoren mit dem zweiten Testpunkt gekoppelt werden. Bei einer ungeraden Anzahl von zu überwachenden Halbleiterschaltelement kann beispielsweise an einem der beiden Testpunkte ein Kondensator mehr angeschlossen werden, als an dem anderen Testpunkt.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Überwachungseinrichtung und die zweite Überwachungseinrichtung jeweils dazu ausgelegt, eine Fehlfunktion in einem Halbleiterschaltelement unter Verwendung einer Höhe der elektrischen Spannung zwischen dem ersten Testpunkt und dem zweiten Testpunkt zu detektieren. Insbesondere kann eine Fehlfunktion in einem der Halbleiterschaltelement detektiert werden, wenn der Betrag der elektrischen Spannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Ferner kann unter Verwendung des Vorzeichens der elektrischen Spannung bestimmt werden, ob es sich bei dem fehlerhaften Schaltelement um ein Schaltelement handelt, welches über einen Kondensator an dem ersten Testpunkt oder dem zweiten Testpunkt angebunden ist.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmoduls mit einer Überwachungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
- 2: ein Prinzipschaltbild einer Überwachungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmoduls mit einer Vorrichtung zur Überwachung von Halbleiterschaltelementen gemäß einer Ausführungsform. Das Leistungsmodul umfasst eine Halbbrücke mit einer ersten Gruppe von oberen Halbleiterschaltelement M11, M12 und einer zweiten Gruppe von unteren Halbleiterschaltelementen M21, M22. Die oberen Halbleiterschaltelement M11, M12 sind parallel zueinander zwischen einem positiven Anschlusspunkt A1 und einem Knotenpunkt K angeordnet. Die unteren Halbleiterschaltelement M21, M22 sind parallel zueinander zwischen dem Knotenpunkt und einem negativen Anschlusspunkt A2 angeordnet. Obwohl in 1 lediglich zwei obere Halbleiterschaltelement M11 und M12 und zwei untere Halbleiterschaltelemente M21 und M22 dargestellt sind, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Halbleiterschaltelementen parallel zueinander vorgesehen sein. Bei den Halbleiterschaltelement kann es sich beispielsweise um MOSFET handeln. Grundsätzlich sind jedoch auch andere geeignete Halbleiterschaltelemente möglich.
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Die Steueranschlüsse der oberen Halbleiterschaltelemente M11, M12 werden von einer ersten Treiberschaltung TS1 angesteuert. Die Steueranschlüsse der unteren Halbleiterschaltelemente M21, M22 werden von einer zweiten Treiberschaltung TS2 angesteuert. Die erste Treiberschaltung ist mit einem ersten Bezugspotenzial GND1 verbunden. Die zweite Treiberschaltung ist mit einem zweiten Bezugspotenzial GND2 verbunden.
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Die in 1 dargestellten Induktivitäten L11, L12, L21, L22 repräsentieren die parasitären Induktivitäten in den jeweiligen Leitungsabschnitten.
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Die Sourceanschlüsse der ersten Halbleiterschaltelemente M11, M12 sind über diskrete Widerstände R11, R12 mit dem ersten Bezugspotenzial GND1 gekoppelt. Die Sourceanschlüsse der zweiten Halbleiterschaltelemente M21, M22 sind ebenfalls über diskrete Widerstände R212, R22 mit dem zweiten Bezugspotenzial GND2 gekoppelt. Insbesondere können diese Widerstände R11, R12, R21, R22 mit sogenannten Kelvin-Source-Anschlüssen der jeweiligen Halbleiterschaltelemente M11, M12, M21, M22 verbunden werden.
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Ferner ist in dem Leistungsmodul eine erste Überwachungseinrichtung 10 zur Überwachung der oberen Halbleiterschaltelemente M11, M12 vorgesehen und eine zweite Überwachungseinrichtung 20 zur Überwachung der unteren Halbleiterschaltelemente M21, M22. Diese Überwachungseinrichtungen 10 und 20 können eine Fehlfunktion, insbesondere ein Kurzschluss oder ein Durchlegieren eines der Halbleiterschaltelemente M11, M12, M21, M22 detektieren. Hierzu überwachen die Überwachungseinrichtungen 10 und 20 das Potenzial an den Source- bzw. Kelvin Sourceanschlüssen der Halbleiterschaltelemente M11, M12, M21, M22 oder einen Spannungsabfall über den Widerständen R11, R12, R21, R22 zwischen den Sourceanschlüssen der Halbleiterschaltelemente M11, M12, M21, M22 und den jeweiligen Treiberstufen TS1, TS2.
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Da im Falle eines Kurzschlusses an einem der Halbleiterschaltelemente M11, M12, M21, M22 der elektrische Strom stark ansteigen wird, steigt der Spannungsabfall über der jeweiligen parasitären Induktivitäten L11, L12, L21, L22 in dem entsprechenden Leitungsabschnitt an, was auch zu einem erhöhten Spannungsabfalls über dem korrespondierenden Widerstand R11, R12, R21, R22 führt. Somit können die Überwachungseinrichtungen 10, 20 einen Fehler in einem der Halbleiterschaltelemente M11, M12, M21, M22 detektieren, falls die elektrische Spannung über einem der Widerstände R11, R12, R21, R22 ansteigt.
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Im Falle einer solchen Detektion kann eine entsprechende Signalisierung ausgegeben werden. Insbesondere können geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise eine Notabschaltung oder ein Wechsel in einen sicheren Zustand eingeleitet werden.
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2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Überwachungseinrichtung 10 oder 20 zur Überwachung der Halbleiterschaltelemente in einer Halbbrücke gemäß einer Ausführungsform. Der Aufbau der Halbbrücke mit den Halbleiterschaltelement entspricht dabei weitestgehend dem zuvor bereits in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Aufbau. Zum besseren Verständnis ist in 2 jedoch ein Leistungsmodul mit einer Halbbrücke zugrunde gelegt, welches jeweils vier obere Halbleiterschaltelemente M11 bis M14 bzw. vier untere Halbleiterschaltelemente M21 bis M24 umfasst.
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Im folgenden wird exemplarisch der Aufbau einer Überwachungseinrichtung 10 zur Überwachung der oberen Halbleiterschaltelemente M11 bis M14 beschrieben, wie er auch in 2 detailliert dargestellt ist. Der Aufbau und die Funktion der Überwachungseinrichtung 20 zur Überwachung der unteren Halbleiterschaltelemente M21 bis M24 ist dabei identisch.
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Wie in 2 zuerkennen ist, umfasst die Überwachungseinrichtung 10 mehreren Kondensatoren C11 bis C14. Insbesondere ist für jedes zu überwachende Halbleiterschaltelemente M11 bis M14 jeweils ein Kondensator C11 bis C14 vorgesehen. Hierbei ist jeweils ein Anschluss eines Kondensators einem Sourceanschluss eines Halbleiterschaltelements M11 bis M14 verbunden ist. Die jeweils anderen Anschlüsse der Kondensatoren C11 bis C14 sind entweder mit einem ersten Anschlusspunkt T1 oder einem zweiten Anschlusspunkt T2 verbunden. Vorzugsweise sind zumindest annähernd gleich viele Kondensatoren mit dem ersten Anschlusspunkt T1 und dem zweiten Anschlusspunkt T2 verbunden. Bei einer ungeraden Anzahl von überwachenden Halbleiterschaltelement M11 bis M14 und entsprechend einer ungeraden Anzahl von Kondensatoren C11 bis C14 kann beispielsweise an einem der beiden Anschlusspunkt T1 oder T2 ein Kondensator mehr angeschlossen werden, als an dem jeweils anderen Anschlusspunkt T1 oder T2. Grundsätzlich wären jedoch auch hiervon abweichende Konzepte möglich.
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Zwischen dem ersten Anschlusspunkt T1 und dem zweiten Anschlusspunkt T2 ist ein Überwachungswiderstand R angeordnet. Ferner kann zwischen dem ersten Anschlusspunkt T1 und dem zweiten Anschlusspunkt T2 noch ein Kondensator C vorgesehen sein.
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Die elektrische Spannung über dem Überwachungswiderstand R kann mittels einer Überwachungsschaltung 11 überwacht und ausgewertet werden. Insbesondere kann diese Überwachungsschaltung 11 eine Fehlfunktion in einem der zu überwachenden Halbleiterschalter M11 bis M14 detektieren, falls der Betrag einer elektrischen Spannung über dem Überwachungswiderstand R einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Hierbei kann basierend auf dem Vorzeichen der elektrischen Spannung über den Überwachungswiderstand R darauf geschlossen werden, ob die Fehlfunktion an einem Halbleiterschaltelement M11, M12 auftritt, welches über den korrespondierenden Kondensator C11, C12 an dem ersten Anschlusspunkt T1 angeschlossen ist, oder ob die Fehlfunktion an einem Halbleiterschaltelement M13, M14 auftritt, welches über den korrespondierenden Kondensator C13, C14 an dem zweiten Anschlusspunkt T2 angeschlossen ist.
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Für die Auswertung der elektrischen Spannung über dem Überwachungswiderstand R sind grundsätzlich beliebige Ansätze und Schaltungskonzepte möglich. Hierzu kann zum Beispiel ein Fensterkomparator vorgesehen sein, welcher sowohl beim Überschreiten als auch beim Unterschreiten einer vorgegebenen Schwelle der elektrischen Spannung über dem Überwachungswiderstand R ein Detektionssignal ausgibt. Beispielsweise kann die Detektion einer Fehlfunktion an einem der Halbleiterschaltelemente M11 bis M14 mittels diskreter Bauelemente, wie beispielsweise Dioden, Widerstände etc. realisiert werden. Alternativ ist auch eine digitale Auswertung möglich, bei welcher die elektrische Spannung über dem Überwachungswiderstand R mittels eines A/D-Wandlers in einen digitalen Wert überführt wird und daraufhin dieser digitale Wert weiterverarbeitet wird.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Überwachung von Halbleiterschaltelementen in einer Halbbrücke mit mehreren parallel angeordneten Halbleiterschaltelement. Hierbei ist es vorgesehen, die elektrischen Spannungen an den Sourceanschlüssen, insbesondere an den Kelvin-Source-Anschlüssen der Halbleiterschaltelemente zu überwachen und beim Überschreiten eines Schwellwerts eine Fehlfunktion, insbesondere ein Kurzschluss des Halbleiterschaltelement zu detektieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017106181 A1 [0004]