DE102014227027A1 - Power semiconductor drive - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein intelligentes Leistungsbauteil mit parallel zueinander ausgerichteten Platten 1, 2, welche mit den Stromeingängen und den Stromausgängen von Leistungshalbleitern 8 verbunden sind. Damit können hohe Ströme 16, beispielsweise zum Widerstandsschweißen, gesteuert werden, ohne dass übermäßig viel Verlustwärme entsteht.The invention relates to an intelligent power component with parallel aligned plates 1, 2, which are connected to the current inputs and the current outputs of power semiconductors 8. Thus, high currents 16, for example, for resistance welding, can be controlled without excessive heat loss.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Leistungsbauteil mit Leistungshalbleiter, welches mittels einer intelligenten Ansteuerung betreibbar ist. Leistungsbauteile werden zur Steuerung hoher elektrischer Ströme verwendet, insbesondere elektrischer Ströme im kA-Bereich, wie sie bei industriellen Prozessen, leistungsfähigen Maschinen und Elektrofahrzeugen oder beim Widerstandsschweißen benötigt werden.The invention relates to a power component with power semiconductor, which is operable by means of an intelligent control. Power components are used to control high electrical currents, especially kA range electrical currents, such as those needed in industrial processes, powerful machinery and electric vehicles, or resistance welding.
Stand der TechnikState of the art
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Anordnung wie in der
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Realisierung eines Leistungsbauteils, welches möglichst kompakt gebaut ist und universell für verschiedenste Anwendungen, insbesondere die weiter oben genannten Anwendungen, leicht konfigurierbar und nachrüstbar ist.The object of the invention is therefore the realization of a power device which is built as compact as possible and universally for a variety of applications, in particular the applications mentioned above, easily configurable and retrofittable.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Leistungsbauteil zur Steuerung eines elektrischen Starkstromes.The starting point of the invention is a power component for controlling an electrical high current.
Unter einem Starkstrom werden Ströme verstanden, wie sie beispielsweise beim Widerstandsschweißen, zum Antrieb von Servomotoren oder zum Betrieb von leistungsfähigen Maschinen oder zum Betrieb von Fahrzeugen verwendet werden. Es handelt sich in der Regel um Ströme im einstelligen oder zweistelligen Kiloampere-Bereich bei Spannungen > 50 Volt, vorzugsweise aus Dreiphasen-Netzen. Es kommen vor allem Anwendungen in Frage, bei denen eine Zwischenkreisspannung bereitgestellt werden muss oder eine Gleichrichtung des Stromes erforderlich wird, beispielsweise Wechselrichter und Umrichter zum Betreiben von elektrischen Motoren, auch elektrischen Fahrzeugmotoren.Under a high current currents are understood, as used for example in resistance welding, for driving servomotors or for the operation of powerful machines or for the operation of vehicles. These are typically currents in the single-digit or double-digit kiloampere range at voltages> 50 volts, preferably from three-phase networks. In particular, there are applications in which a DC link voltage must be provided or a rectification of the current is required, for example, inverters and converters for operating electric motors, including electric vehicle engines.
Das Leistungsbauteil umfasst mindestens einen Leistungshalbleiter mit einem Stromeingang, einem Stromausgang und einem Steueranschluss. Das Leistungsbauteil umfasst zusätzlich eine elektrisch leitfähige Stromeingangsplatte und eine elektrisch leitfähige Stromabgangsplatte, wobei der Stromeingang des Leistungshalbleiters mit der Stromeingangsplatte und der Stromausgang des Leistungshalbleiters mit der Stromabgangsplatte verbunden ist. Als Plattenmaterial kommt beispielsweise Kupfer oder Molybdän in Frage. Die Stromeingangsplatte und/oder die Stromausgangsplatte können einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Der Steueranschluss des Leistungshalbleiters ist zwischen beiden vorzugsweise parallel zueinander ausgerichteten Platten angeordnet. Zusätzlich ist eine Anbindungsmöglichkeit für eine Ansteuereinrichtung vom Leistungsbauteil umfasst, mittels welcher der Steueranschluss ansteuerbar ist.The power component comprises at least one power semiconductor with a current input, a current output and a control connection. The power component additionally comprises an electrically conductive current input plate and an electrically conductive current output plate, the current input of the power semiconductor being connected to the current input plate and the current output of the power semiconductor being connected to the current output plate. As a plate material is for example copper or molybdenum in question. The current input plate and / or the current output plate may be formed in one piece or in several parts. The control terminal of the power semiconductor is arranged between two plates, which are preferably aligned parallel to one another. In addition, a connection possibility for a drive device from the power component is included, by means of which the control connection can be controlled.
Die Anbindungsmöglichkeit kann durch Anschlussmittel für eine Ansteuereinrichtung realisiert sein. Das Anschlussmittel kann derart realisiert sein, dass eine Integration der Ansteuereinrichtung in das Leistungsbauteil und/oder die Anbindung einer beispielsweise externen Ansteuereinrichtung an das Leistungsbauteil möglich wird.The connection possibility can be realized by connecting means for a control device. The connection means can be realized in such a way that an integration of the drive device in the power component and / or the connection of an example external drive means to the power device is possible.
Zur Integration der Ansteuereinrichtung kann eine Aufnahmevorrichtung für die Ansteuereinrichtung zwischen beiden Platten, beispielsweise auf einem isoliert zwischen den Platten, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den Platten, angeordneten ersten Bauteileträger vorgesehen sein. Bei der Aufnahmevorrichtung kann es sich um einen Sockel oder eine Aussparung am Bauteilträger handeln, mittels dessen bzw. mittels derer die zur Realisierung der Ansteuereinrichtung/Ansteuereinrichtungsanbindung erforderlichen Bauteile am Bauteilträger angeordnet werden können. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Leistungsbauteil besonders kompakt realisiert werden kann und dass die Ansteuereinrichtung mittels der Platten vor mechanischen Beschädigungen geschützt ist. Auch ist eine Ansteuereinrichtung derart leicht nachrüstbar bzw. montierbar. Die Ansteuereinrichtung kann auch schon bei der Herstellung des Bauteilträgers in diesen integriert werden.In order to integrate the drive device, a receiving device for the drive device can be provided between the two plates, for example on a first component carrier which is arranged in an insulated manner between the plates, preferably substantially parallel to the plates. The receiving device can be a base or a recess on the component carrier, by means of which or by means of which the components required for the realization of the drive device / drive device connection can be arranged on the component carrier. The advantage here is that the power device can be realized in a particularly compact and that the control device is protected by the plates from mechanical damage. Also, a drive device is so easy to retrofit or mountable. The control device can also be integrated in the production of the component carrier in this.
Es wäre jedoch auch denkbar die Ansteuereinrichtung am Leistungsbauteil oder Bauteilträger derart anzuordnen, dass sie außerhalb der Platten oder nur teilweise zwischen den Platten angeordnet ist. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Ansteuereinrichtung leicht zugänglich ist. Zum mechanischen Schutz der Ansteuereinrichtung müssten jedoch zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden. Beispielsweise könnte auch eine lösbare Steckverbindung vorgesehen sein, mittels derer die Ansteuereinrichtung mit dem Leistungsbauteil verbunden werden kann. Oder die Ansteuereinrichtung kann an einem zweiten Bauteilträger angeordnet sein, welcher mit dem ersten Bauteilträger verbunden ist.However, it would also be conceivable to arrange the drive device on the power component or component carrier in such a way that it is arranged outside the plates or only partially between the plates. The advantage here is that the drive device is easily accessible. For the mechanical protection of the control device, however, additional precautions would have to be taken. For example, a detachable plug connection could also be provided, by means of which the control device can be connected to the power component. Or the drive device may be arranged on a second component carrier, which is connected to the first component carrier.
Das Anschlussmittel könnte auch als industrielle Feldbusschnittstelle (z. B. SERCOS, Profibus und dergleichen) realisiert sein, so dass die Anbindung einer externen und/oder internen Ansteuereinrichtung an das Leistungsbauteil mittels eines Feldbusses ermöglicht wird. Diese Ansteuereinrichtung müsste dann ebenfalls eine kompatible industrielle Feldbusschnittstelle aufweisen, z. B. eine Ethernet-Schnittstelle bei entsprechenden Feldbussen. The connection means could also be implemented as an industrial fieldbus interface (eg SERCOS, Profibus and the like), so that the connection of an external and / or internal control device to the power component is made possible by means of a fieldbus. This drive would then also have a compatible industrial fieldbus interface, z. As an Ethernet interface with appropriate fieldbuses.
Das Leistungsbauteil kann auch eine Kombination aus den zuvor erwähnten Anbindungsmöglichkeiten umfassen, so dass sowohl eine integrierte Lösung als auch eine externe Anbindung realisiert werden kann. Auch könnte eine integrierte Ansteuereinrichtung mittels der Feldbusschnittstelle mit einer externen Ansteuereinrichtung und/oder einer übergeordneten (Prozess-)Steuerung kommunizieren.The power component can also comprise a combination of the aforementioned connection possibilities, so that both an integrated solution and an external connection can be realized. An integrated drive device could also communicate with an external drive device and / or a higher-level (process) controller by means of the fieldbus interface.
Als Verbindungsmittel zwischen den Leistungshalbleiteranschlüssen und den Platten können Fügemittel verwendet werden, welche elektrisch leitfähig sind und welche stoffschlüssige Verbindungen ermöglichen. Als Fügeprozess kommt beispielsweise Löten oder Sintern, ggf. auch Schweißen in Frage. Der Steueranschluss ist derart zwischen beiden Platten angeordnet, dass dieser keinen elektrischen Kontakt zu den Platten hat und zwischen den Platten zugänglich bleibt.As connecting means between the power semiconductor terminals and the plates joining means can be used, which are electrically conductive and which allow material connections. As a joining process, for example, soldering or sintering, possibly also welding in question. The control terminal is arranged between the two plates such that it has no electrical contact with the plates and remains accessible between the plates.
Bei dem Leistungshalbleiter kann es sich um einen stromgesteuerten oder spannungsgesteuerten Halbleiter handeln wie beispielsweise ein Bipolar-Transistor, ein IGBT, ein FET oder ein MOSFET oder dergleichen. Die Steuerung des Halbleiters kann mittels der Gate-Source-Spannung erfolgen. Sinngemäß erfolgt die Ansteuerung von Halbleitern anderer Bauart dann entsprechend ihrer Datenblätter. Als Leistungshalbleiter kommen auch Leistungshalbleiter mit einem flachen (Metall-)Gehäuse in Frage. Das Gehäuse schützt den Leistungshalbleiter und erleichtert aufgrund der flachen Form eine flächige Anbindung an die Platten. Dies verbessert die Wärmeleitfähigkeit der Gesamtanordnung und vermindert die Verluste. Der Steueranschluss ist im Wesentlichen innerhalb der Platten parallel zu den Platten angeordnet und unabhängig vom Stromeingang oder Stromausgang ansteuerbar.The power semiconductor may be a current-controlled or voltage-controlled semiconductor, such as a bipolar transistor, an IGBT, a FET or a MOSFET, or the like. The control of the semiconductor can be effected by means of the gate-source voltage. Analogously, the control of semiconductors of other types then takes place according to their data sheets. As power semiconductors also power semiconductors come with a flat (metal) housing in question. The housing protects the power semiconductor and, due to the flat shape, facilitates a flat connection to the plates. This improves the thermal conductivity of the overall arrangement and reduces the losses. The control connection is arranged essentially inside the plates parallel to the plates and can be controlled independently of the current input or current output.
Bei der Ansteuereinrichtung kann es sich um eine integrierte Schaltung handeln, welche vorzugsweise genügend Rechenleistung und Speicher bereithält, so dass neben der reinen Ansteuerung des Leistungshalbleiters noch weitere übergeordnete Aufgaben zum Betrieb des Leistungsbauteils erfüllt werden können. Zusätzlich können externe Schaltungen wie Treiber oder Feldbusschnittstellen vorgesehen sein. Diese externen Schaltungen könnten jedoch auch von der integrierten Schaltung umfasst sein, so dass eine minimale oder gar keine externe Beschaltung mehr erforderlich wird.The control device may be an integrated circuit, which preferably has enough computing power and memory available, so that, in addition to the pure control of the power semiconductor, further superordinate tasks for operating the power device can be fulfilled. In addition, external circuits such as drivers or fieldbus interfaces can be provided. However, these external circuits could also be included in the integrated circuit, so that minimal or no external circuitry is required.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Mittel u. a. des Anschlussmittels zur Anbindung und/oder Integration einer Ansteuereinrichtung ist die Realisierbarkeit eines kompakten und universell einsetzbaren Leistungsbauteils gewährleistet, welches bei Verwendung einer vorzugsweise programmierbaren Ansteuereinrichtung weitestgehen autark betrieben werden kann und somit für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete leicht konfigurierbar ist. Wird eine programmierbare Ansteuereinrichtung mit genügend Rechenleistung und Speicher verwendet, so kann diese für spezielle Anwendungsgebiete leicht umprogrammiert oder in ihrem Funktionsumfang erweitert werden, Programmodule könnten nachgeladen oder ausgetauscht werden. Dies könnte auch über eine Internetverbindung oder Rechnernetze (z. B. Cloud) erfolgen.Means u. a. the connection means for connection and / or integration of a drive device, the feasibility of a compact and universally applicable power device is guaranteed, which can be operated largely autonomous when using a preferably programmable drive means and thus is easily configurable for a variety of applications. If a programmable control device with sufficient computing power and memory is used, it can be easily reprogrammed for special fields of application or extended in scope, program modules could be recharged or replaced. This could also be done via an internet connection or computer networks (eg cloud).
In einer Widerstandsschweißanwendung beispielsweise könnte das Leistungsbauteil für den Widerstandsschweißprozess optimiert mit einem ersten Ansteuerprogramm angesteuert werden. In einer Anwendung zum Betrieb von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen könnte das Leistungsbauteil für diese Anwendung optimiert mit einem zweiten Ansteuerprogramm angesteuert werden. Wird das Leistungsbauteil in einem Versorgungsmodul eingesetzt, so könnte ein entsprechendes drittes Ansteuerprogramm vorgesehen sein. Alle oder einzelne Ansteuerprogramme könnten im Speicher der Ansteuereinrichtung abrufbar abgelegt sein oder die Ansteuereinrichtung könnte derart realisiert sein, dass Ansteuerprogramme leicht nachladbar oder änderbar sind, zum Beispiel mittels einer Feldbusschnittstelle. Der mechanische Aufbau des Leistungsbauteils vereinfacht den Einbau in mechanische Bauteilhalterungen, wie sie beispielsweise für Scheibenzellen verwendet werden. Dies erhöht die Flexibilität in industriellen Anwendungen, denn das erfindungsgemäße Leistungsbauteil ist leicht austauschbar oder leicht nachrüstbar.For example, in a resistance welding application, the power device for the resistance welding process could be optimized to be driven by a first drive program. In an application for the operation of battery-operated electric vehicles, the power component for this application could be optimized with a second drive program. If the power component is used in a supply module, then a corresponding third drive program could be provided. All or individual control programs could be retrievably stored in the memory of the control device or the control device could be implemented such that control programs are easily rechargeable or changeable, for example by means of a fieldbus interface. The mechanical design of the power component simplifies installation in mechanical component holders, such as those used for disc cells. This increases the flexibility in industrial applications, because the power component according to the invention is easily replaceable or easy to retrofit.
Bevorzugt sind die Platten in ihrem Randbereich mittels eines elektrisch nicht leitfähigen Verbindungsmittels miteinander verbunden, wobei Platten und Verbindungsmittel ein Gehäuse bilden. Als Verbindungsmittel kommen beispielsweise Harze in Frage. Materialien aus Hartkunststoff oder Weichkunststoff kommen ebenfalls in Frage. Das mittels der Platten und des Verbindungsmittels realisierte Gehäuse umgibt und schützt die von den Leistungsbauteilplatten umfassten Komponenten vor äußeren Einflüssen, insbesondere den Leistungshalbleiter und bei der integrierten Variante auch die Ansteuereinrichtung. Gerade bei widrigen Umgebungsbedingungen – wie sie häufig im industriellen Umfeld auftreten – ist dies von großem Vorteil. Auch ein Spritzwasserschutz gemäß der IP-Schutzklassen ist somit sehr leicht realisierbar.Preferably, the plates are connected to each other in their edge region by means of an electrically non-conductive connecting means, wherein plates and connecting means form a housing. As connecting agents, for example, resins in question. Materials made of hard plastic or soft plastic are also suitable. The housing realized by means of the plates and the connecting means surrounds and protects the components encompassed by the power component plates from external influences, in particular the power semiconductor and, in the case of the integrated variant, also the drive device. Especially in adverse environmental conditions - as they often occur in industrial environments - this is a great advantage. Even a splash protection according to the IP protection classes is thus very easy to implement.
Sind der Leistungshalbleiter und/oder die Ansteuereinrichtung an einem Bauteilträger angeordnet, so kann dieser Bauteilträger zwischen beiden Platten vorzugsweise im Wesentlichen parallel vorgesehen sein, wobei der Steueranschluss mit einer vom Bauteilträger umfassten Leiterbahn verbunden sein kann. Bei dem Bauteilträger kann es sich vorzugsweise um eine Leiterplatte (PCB – „Printed Curcuit Board”) handeln. Der Bauteilträger kann Durchkontaktierungen (z. B. sog. VIA's = „Vertical Interconnect Access”) zu den Platten aufweisen.If the power semiconductor and / or the drive device are arranged on a component carrier, then this component carrier can be provided substantially parallel between the two plates, wherein the control connection can be connected to a conductor track encompassed by the component carrier. The component carrier may preferably be a printed circuit board (PCB). The component carrier can have plated-through holes (eg so-called VIA's = "Vertical Interconnect Access") to the plates.
Vorzugsweise wird eine Anordnung mit Leistungsbauteil und Ansteuereinrichtung realisiert, wobei die Ansteuereinrichtung mittels des Anschlussmittels an das Leistungsbauteil angeschlossen ist. Im Falle einer integrierten Lösung ist die Ansteuereinrichtung vom Leistungsbauteil zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umfasst. Im Falle einer nicht integrierten Lösung ist die Ansteuereinrichtung mechanisch/elektrisch am Leistungsbauteil angeordnet oder, vorzugsweise mittels einer Feldbusschnittstelle, an das Leistungsbauteil angebunden.Preferably, an arrangement with power component and drive device is realized, wherein the drive means is connected by means of the connection means to the power component. In the case of an integrated solution, the drive device is at least partially, preferably completely, enclosed by the power component. In the case of a non-integrated solution, the control device is mechanically / electrically arranged on the power component or, preferably by means of a fieldbus interface, connected to the power component.
Die Ansteuereinrichtung umfasst bevorzugt eine Ansteuerimpulserzeugung und vorzugsweise auch eine Spannungsversorgung zur Versorgung der Ansteuerimpulserzeugung. Sind Leistungshalbleiter und Ansteuereinrichtung an einem gemeinsamen Bauteilträger angeordnet, so kann die Übertragung der Ansteuerimpulse mittels am Bauteilträger angebrachter Leiterbahnen erfolgen.The drive device preferably comprises a drive pulse generation and preferably also a voltage supply for supplying the drive pulse generation. If the power semiconductor and the drive device are arranged on a common component carrier, then the transmission of the drive pulses can take place by means of conductor tracks attached to the component carrier.
Vorzugsweise ist eine schnelle Treiberstufe vorgesehen, welche zwischen dem Ausgang der Ansteuerimpulserzeugung und dem Steueranschlusses des Leistungshalbleiters vorgesehen ist, um die Ansteuerimpulserzeugung vom Steueranschlusses des Leistungshalbleiters zu entkoppeln und damit dieser in kürzester Zeit leistungsmäßig angesteuert werden kann. Die Treiberstufe kann von der Ansteuereinrichtung auch umfasst sein oder separat von der Ansteuereinrichtung beispielsweise auf einem gemeinsamen Bauteilträger angeordnet sein. Mittels dieser Anordnung ist ein weitestgehend autarker Betrieb des Leistungsbauteils sichergestellt.Preferably, a fast driver stage is provided which is provided between the output of the drive pulse generation and the control terminal of the power semiconductor to decouple the Ansteuerimpulserzeugung from the control terminal of the power semiconductor and thus this can be controlled in terms of performance in no time. The driver stage can also be encompassed by the drive device or be arranged separately from the drive device, for example, on a common component carrier. By means of this arrangement, a largely self-sufficient operation of the power device is ensured.
Bei Integration der Ansteuereinrichtung in das Leistungsbauteil ist dieses ohne zusätzliche übergeordnete Maßnahmen einsetzbar, lediglich die Spannungsversorgung muss gewährleistet sein. Dies kann je nach Anwendungsfall mittels einer Gleichspannungsquelle oder durch Anzapfung einer Transformatorspule und Gleichrichtung dieser angezapften Spannung erfolgen. Letzteres ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn das Leistungsbauteil zusammen mit einem Transformator eingesetzt wird.When integrating the control device in the power component this can be used without additional higher-level measures, only the power supply must be guaranteed. This can be done depending on the application by means of a DC voltage source or by tapping a transformer coil and rectification of this tapped voltage. The latter is useful, for example, if the power component is used together with a transformer.
Bevorzugt ist die Ansteuereinrichtung und/oder das Leistungsbauteil dazu eingerichtet, ein Statussignal für den Betriebszustand des Leistungshalbleiters, des Leistungsbauteils oder der Ansteuereinrichtung auszugeben. Es wird somit möglich an eine übergeordnete Prozessteuerung einen für das Leistungsbauteil spezifischen Betriebszustand zu melden. Je nach Art des Betriebszustandes kann diese Prozessteuerung dann geeignete Maßnahmen einleiten, z. B. Abfangen von Fehlern, Einleiten von Kühlmaßnahmen bei Überhitzung und dergleichen. Das Statussignal kann mittels einer proprietären Schnittstelle oder mittels einer Standardschnittstelle (z. B. Feldbusschnittstelle) übertragen werden.Preferably, the drive device and / or the power component is set up to output a status signal for the operating state of the power semiconductor, the power device or the drive device. It is thus possible to report to a higher-level process control a specific for the power device operating condition. Depending on the type of operating state, this process control can then initiate appropriate measures, eg. As interception of errors, initiation of cooling measures in case of overheating and the like. The status signal can be transmitted by means of a proprietary interface or by means of a standard interface (eg fieldbus interface).
Die Ansteuereinrichtung umfasst vorzugsweise eine Recheneinrichtung zur Verarbeitung von Logiksignalen, welche zum Betrieb des Leistungshalbleiters erforderlich werden könnten und/oder zur Ausführung von für den Betrieb des Leistungsbauteils geeigneten Programmen wie beispielsweise die Realisierung einer Lebensdauerüberwachung. Hierbei können unter Zugrundelegung der während des Betriebs des Leistungshalbleiters im Leistungshalbleiter auftretende Temperaturen, Spannungen wie Flussspannungen und Ströme berücksichtigt und mit Referenzwerten verglichen werden. Als Referenzwerte kommen beispielsweise Wertevorgaben mit Toleranzbändern oder an neuen Leistungshalbleitern ermittelte Referenzwerte in Frage.The drive device preferably comprises a computing device for processing logic signals which might be required for operation of the power semiconductor and / or for executing programs suitable for the operation of the power device, such as, for example, the realization of lifetime monitoring. In this case, on the basis of the temperatures occurring during operation of the power semiconductor in the power semiconductor, voltages such as forward voltages and currents can be taken into account and compared with reference values. For example, value specifications with tolerance bands or reference values determined on new power semiconductors may be considered as reference values.
Die Ergebnisse dieser Betriebsarten könnten mittels des zuvor genannten Statussignals ebenfalls von einer Prozesssteuerung weiterverarbeitet werden. Speziell mittels der Lebensdauerüberwachung könnten frühzeitig Maßnahmen zur Gewährleistung des weiteren und sicheren Betriebs der Anordnung eingeleitet werden.The results of these operating modes could also be further processed by a process controller by means of the aforementioned status signal. Especially by means of the lifetime monitoring measures could be taken early to ensure the further and safe operation of the arrangement.
Vorzugsweise ist, insbesondere auch zur Realisierung der zuvor genannten Lebensdauerüberwachung, von der Ansteuereinrichtung und/oder dem Leistungsbauteil ein Erfassungsmittel zur Erfassung und/oder Überwachung von Messwerten umfasst, insbesondere Werte mit Bezug zur Halbleitertemperatur und/oder zum Halbleiterstrom und/oder zur Halbleiterflussspannung und/oder zur Halbleitereingangsspannung.Preferably, in particular also for the realization of the aforementioned lifetime monitoring, the detection device and / or the power component comprise a detection means for acquiring and / or monitoring measured values, in particular values related to the semiconductor temperature and / or to the semiconductor current and / or to the semiconductor voltage and / or or to the semiconductor input voltage.
Ergänzend werden die zuvor erwähnten Maßnahmen vorzugsweise dadurch erweitert, dass von der Ansteuereinrichtung und/oder dem Leistungsbauteil eine Kurzschlussüberwachung und/oder eine Unterspannungsüberwachung für die Spannungsversorgung und/oder die Ansteuerimpulserzeugung umfasst sind. Es könnte auch vorgesehen sein, dass je nach Anwendungsfall externe Spannungen, wie beispielsweise eine Transformatorspannung und/oder eine Gleichrichterspannung und/oder eine Zwischenkreisspannung, zusätzlich überwacht und/oder ausgewertet werden. Neben der Überwachung des Leistungshalbleiters bzw. des Leistungsbauteils selbst wären somit zusätzlich noch bezüglich des Leistungsbauteils externe Anwendungskomponenten mittels der Ansteuereinrichtung leicht überwachbar. Unter Anwendungskomponenten werden Komponenten verstanden, welche anwendungsspezifisch sind, z. B. der Schweißtransformator bei einer Widerstandsschweißanwendung.In addition, the measures mentioned above are preferably expanded by the short circuit monitoring and / or an undervoltage monitoring for the voltage supply and / or the drive pulse generation being included by the drive device and / or the power component. It could also be provided that, depending on the application, external Voltages, such as, for example, a transformer voltage and / or a rectifier voltage and / or a DC link voltage, are additionally monitored and / or evaluated. In addition to the monitoring of the power semiconductor or of the power component itself, external application components would thus additionally be easily monitored with respect to the power component by means of the control device. Application components are components which are application-specific, eg. B. the welding transformer in a resistance welding application.
Besonders bevorzugt ist von der Ansteuereinrichtung auch eine Avalance-Überwachung umfasst. Diese kann dafür verwendet werden den Leistungshalbleiter einzuschalten, bevor die Avalance-Energie einen vorgegebenen Richtwert überschreitet. Durch das so kontrollierte Avalanche-Verhalten kann der Leistungshalbleiter vor Zerstörung durch Überspannungen geschützt werden, speziell wenn hohe Ströme und geringe Transitzeiten auftreten.Particularly preferably, the activation device also includes an avalance monitoring system. This can be used to turn on the power semiconductor before the Avalance energy exceeds a given benchmark. The controlled avalanche behavior of the power semiconductor can be protected from destruction by overvoltages, especially when high currents and low transit times occur.
Alle diese Maßnahmen dienen der Sicherstellung eines reibungslosen Betriebs des erfindungsgemäßen Leistungsbauteils, entweder mittels einer übergeordneten Prozessüberwachung oder mittels der Ansteuereinrichtung selbst.All these measures serve to ensure a smooth operation of the power component according to the invention, either by means of a higher-level process monitoring or by means of the control device itself.
Weiter bevorzug ist von der Ansteuereinrichtung bzw. dem Leistungsbauteil eine Feldbusschnittstelle zur Anbindung derselben bzw. desselben an einen industriellen Feldbus umfasst bzw. die Ansteuereinrichtung oder das Leistungsbauteil sind dazu geeignet mittels eines Feldbusses mit übergeordneten weiteren Einrichtungen (z. B. Prozessteuerung) eine Kommunikationsverbindung aufzubauen.The drive device or the power component is suitable for establishing a communication connection by means of a field bus with higher-level further devices (eg process control) ,
Die zuvor erwähnten Statussignale und Vergleichs- und Überwachungsergebnisse könnten somit auch an externe Einrichtungen mittels des Feldbusses übermittelt werden. Auch eine Anbindung von zusätzlich zu überwachenden Komponenten an die Ansteuereinrichtung könnte so realisiert werden. Mittels der Feldbusschnittstellen könnten auch Istwerte wie Spannungen, Ströme, Temperaturen und sämtliche weitere im Leistungsbauteil bzw. am Leistungshalbleiter messtechnisch erfassbaren Werte im Wesentlichen in Echtzeit beispielsweise von einer übergeordneten Einrichtung (Regelung, Prozesssteuerung und dergleichen) ausgelesen und verarbeitet werden. Unter einem industriellen Feldbus werden sämtliche Einrichtungen verstanden mittels derer Daten zwischen mehreren Busteilnehmern ausgetauscht werden können, zum Beispiel auch basierend auf dem Ethernet-Standard, vorzugsweise in Echtzeit. Auch eine drahtlose Anbindung ist denkbar.The above-mentioned status signals and comparison and monitoring results could thus also be transmitted to external devices by means of the fieldbus. A connection of additional components to be monitored to the control device could thus be realized. By means of the field bus interfaces, actual values such as voltages, currents, temperatures and all other values that can be detected by measurement in the power component or power semiconductor could be read out and processed substantially in real time, for example, by a higher-level device (control, process control and the like). An industrial field bus means all devices by means of which data can be exchanged between several bus users, for example also based on the Ethernet standard, preferably in real time. A wireless connection is also conceivable.
Besonders bevorzugt ist die Ansteuereinrichtung dazu eingerichtet mehrere Leistungshalbleiter unabhängig voneinander anzusteuern, insbesondere einen ersten Leistungshalbleiter unabhängig von einem zweiten Leistungshalbleiter bzw. einen zweiten Leistungshalbleiter unabhängig von einem ersten Leistungshalbleiter. Sofern mehrere Leistungshalbleiter vorhanden sind, können mittels der zuvor genannten Feldbusschnittstelle auch die zuvor erwähnten Messwerte bezüglich der weiteren Leistungshalbleiter, d. h. für jeden Leistungshalbleiter separat und unabhängig voneinander, ausgelesen, verarbeitet und bei der Ansteuerung der Steuereingänge jedes einzelnen Leistungshalbleiters berücksichtigt werden.Particularly preferably, the drive device is set up to control a plurality of power semiconductors independently of one another, in particular a first power semiconductor independent of a second power semiconductor or a second power semiconductor independently of a first power semiconductor. If a plurality of power semiconductors are present, the above-mentioned measured values with respect to the further power semiconductors, i. H. for each power semiconductor separately and independently, read out, processed and taken into account in the control of the control inputs of each power semiconductor.
Die Ansteuereinrichtung kann daher auch dazu eingerichtet sein den Betriebszustand eines zweiten Leistungshalbleiters während der Erzeugung der Ansteuerimpulse zur Ansteuerung eines ersten Leistungshalbleiters zu berücksichtigen.The drive device can therefore also be set up to take into account the operating state of a second power semiconductor during the generation of the drive pulses for driving a first power semiconductor.
Mittels dieser Maßnahme wäre ein Betrieb auch ohne übergeordnete Steuerung möglich, die üblicherweise den Betrieb der Leistungshalbleiter koordiniert. In diesem Falle übernimmt die Ansteuereinrichtung nun die Koordination der Ansteuerimpulse für die Steuereingänge eines ersten Leistungshalbleiters in Abhängigkeit der Betriebszustände zumindest eines weiteren vorhandenen Leistungshalbleiters. Damit ist nun ein völlig autarker Betrieb des Leistungsbauteils auch ohne übergeordnete Steuerung realisierbar.By means of this measure, operation would also be possible without a higher-level control, which usually coordinates the operation of the power semiconductors. In this case, the control device now takes over the coordination of the drive pulses for the control inputs of a first power semiconductor depending on the operating conditions of at least one other existing power semiconductor. Thus, a completely self-sufficient operation of the power component can be realized even without higher-level control.
Speziell bei Gleichrichteranwendungen könnte die Ansteuereinrichtung Mittel zur Realisierung eines Vergleichs einer Trafospannung und/oder einer Gleichrichterspannung bzw. der Sperrspannung zum Beispiel mit Referenzspannungen oder mit den Spannungen untereinander oder mit von den Spannungen abgeleiteten zusätzlichen Spannungen umfassen.Especially in rectifier applications, the drive device could comprise means for realizing a comparison of a transformer voltage and / or a rectifier voltage or the blocking voltage, for example with reference voltages or with the voltages with one another or with additional voltages derived from the voltages.
So könnte ein Kurzschluss am Trafo oder in einem Gleichrichterzweig leicht und schnell erkannt und beispielsweise mittels des zuvor erwähnten Statusausgangs und/oder einer Feldbusanbindung an eine übergeordnete Einrichtung gemeldet werden. Alternativ könnte die Ansteuereinrichtung selbst geeignete Maßnahmen einleiten, wie beispielsweise die Abschaltung eines defekten Leistungshalbleiters oder eines Gleichrichterzweiges.Thus, a short circuit at the transformer or in a rectifier branch could easily and quickly be detected and reported, for example, by means of the aforementioned status output and / or a field bus connection to a higher-level device. Alternatively, the control device itself could initiate appropriate measures, such as the shutdown of a defective power semiconductor or a rectifier branch.
Für die Anwendung Widerstandsschweißen könnte die Flussspannung des Leistungshalbleiters (z. B. MOSFET) bzw. die Einschaltzeit erfasst werden. Somit wären jederzeit Rückschlüsse bezüglich des Status der Schweißzange möglich (Zange offen/geschlossen bzw. Kontakt ja/nein).For the resistance welding application, the forward voltage of the power semiconductor (eg MOSFET) or the switch-on time could be detected. Thus, conclusions about the status of the welding gun are possible at any time (pliers open / closed or contact yes / no).
Vorteilhaft ist es auch in einem von der Ansteuereinrichtung oder einem vom Leistungsbauteil umfassten Speicher anwendungsspezifische Daten abzulegen. Bei der zuvor genannten Anwendung könnten beispielsweise für den Schweißprozess relevante Daten oder Daten der Schweißzange im Speicher abgelegt bzw. abrufbar bereitgehalten werden. Auch wäre es denkbar Daten des Leistungsbauteils selbst im integrierten Speicher abzulegen, so dass das Leistungsbauteil von einer übergeordneten Einrichtung durch Auslesen der Daten leicht identifizierbar ist. Somit wäre auch ein elektronisches Typenschild für die Anordnung realisierbar.It is also advantageous in one of the control device or a memory included by the power device application specific data store. In the aforementioned application, for example, data or data relevant to the welding process of the welding tongs could be stored in the memory or made available retrievably. It would also be conceivable to store data of the power component itself in the integrated memory, so that the power component can be easily identified by a higher-level device by reading out the data. Thus, an electronic nameplate for the arrangement would be feasible.
Vorzugsweise wird ein Transformator mit einem Gleichrichter wie zuvor beschrieben ausgestattet, wobei der Gleichrichter an eine Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen und von dem Transformator umfasst bzw. am Transformator angeordnet ist.Preferably, a transformer is equipped with a rectifier as described above, wherein the rectifier is connected to a secondary winding of the transformer and comprises of the transformer or is arranged on the transformer.
Diese Anordnung bietet beispielsweise in der Anwendung Widerstandschweißen den Vorteil, dass ein Schweißtransformator zum Widerstandsschweißen bereits einen intelligenten Gleichrichter umfasst und als Bausatz für Widerstandsschweißanlagen angeboten werden kann. Ähnliche Bausätze mit oder ohne Transformator bieten sich für andere Anwendungsfelder an, beispielsweise bei Versorgungsmodulen für Servomotoren oder Elektrofahrzeuge.This arrangement offers, for example in the application resistance welding the advantage that a welding transformer for resistance welding already includes a smart rectifier and can be offered as a kit for resistance welding equipment. Similar kits with or without a transformer are available for other applications, such as servo motor or electric vehicle supply modules.
Das Versorgungsmodul arbeitet als Wechselrichter oder Umrichter und kann ein Leistungsbauteil gemäß der Patentansprüche zur Erzeugung einer Zwischenkreisgleichspannung umfassen, welche anschließend wechselgerichtet werden kann.The supply module operates as an inverter or inverter and may comprise a power component according to the claims for generating a DC link voltage, which can then be reversed.
Auch kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine komplette Antriebsvorrichtung mit Regeleinrichtung und Versorgungsmodul realisiert werden. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung zum Betrieb von Maschinen zur Herstellung oder Bearbeitung von Produkten ist ebenfalls denkbar.Also, by means of the solution according to the invention a complete drive device with control device and supply module can be realized. The use of the solution according to the invention for the operation of machines for the production or processing of products is also conceivable.
Figurenbeschreibungfigure description
Die Ansteuereinrichtung ist in der Lage die Steuereingänge aller Halbleiter
Die parallel und in ihrem Randbereich bündig zueinander angeordneten Kupferplatten
Mittels des Verbindungsmittels
Der während des Betriebs der Anordnung auftretende Strom
Im Bild sind vier Halbleiter
Die
Im Randbereich rechts im Bild ragt hier mittels einer Aussparung im Verbindungsmittel
Empfohlen wird auch hier eine möglichst dünne Leiterplatte
Die Ansteuereinrichtung umfasst als zentrale Funktionseinheit eine Ansteuerimpulserzeugung
Die Ansteuereinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, ein Statussignal für den Betriebszustand des Leistungshalbleiters mittels einer Statusmeldeeinrichtung
Ebenso kann ein Erfassungsmittel
Mittels dieser Maßnahmen wird eine intensive Überwachung der internen Abläufe des Leistungsbauteils ermöglicht. Das Leistungsbauteil kann mittels der Ansteuereinrichtung beispielsweise im Rahmen einer anwendungsspezifisch implementierten Zustandsüberwachung seinen eigenen Betriebszustand in Echtzeit an übergeordnete Stellen übermitteln oder zum Abruf bereithalten. Ein Funktionsblock
Weiter gezeigt ist ein Funktionsbock
Erleichtert wird die Kommunikation der Überwachungsergebnisse mittels einer separaten oder von dem Leistungsbauteil bzw. der Ansteuereinrichtung umfassten Feldbusschnittstelle
Auch kann die Ansteuereinrichtung dazu eingerichtet sein bei der Ansteuerung eines ersten Leistungshalbleiters
Die in dieser Figur gezeigten Funktionsblöcke können je nach Anwendungsfall komplett oder teilweise bzw. in beliebiger Kombination vom Leistungsbauteil und/oder von der Ansteuereinrichtung umfasst sein, beispielsweise auch in Form von auf einer Recheneinrichtung ablauffähigen Programmen. Einige Funktionsblöcke wie Treiber
Die integrierte Schaltung mit/ohne externer Beschaltung ist vorzugsweise auf dem in den
Alle in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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