DE102021105114A1

DE102021105114A1 - Bridge circuit, power module and drive system provided therewith

Info

Publication number: DE102021105114A1
Application number: DE102021105114.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Kapaun
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Um die Fähigkeiten von Leistungsmodulen (38), insbesondere hinsichtlich Überschießen und Oszillationen in deren Kommutierungskreisen oder Gate-Schaltkreisen zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen zweiten Zwischenkreiskondensator (26) in der Nähe der Halbbrücke (20) des Leistungsmoduls (38) anzuordnen. Der zweite Zwischenkreiskondensator (26) kann in das Leistungsmodul (38) integriert sein.In order to improve the capabilities of power modules (38), in particular with regard to overshooting and oscillations in their commutation circuits or gate circuits, the invention proposes arranging a second intermediate circuit capacitor (26) in the vicinity of the half-bridge (20) of the power module (38). The second intermediate circuit capacitor (26) can be integrated into the power module (38).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brückenschaltkreis für ein Leistungsmodul eines Wechselrichters. Die Erfindung betrifft ferner ein Leistungsmodul und einen Wechselrichter.The invention relates to a bridge circuit for a power module of an inverter. The invention also relates to a power module and an inverter.

3 zeigt einen Brückenschaltkreis, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein solcher Brückenschaltkreis 100 weist eine Gleichspannungsquelle 102 auf, beispielsweise eine Batterie, die über Zuleitungen 104 an eine Halbbrücke 106 mit zwei Leistungsschaltern 108 angeschlossen ist. Die Zuleitungen weisen parasitäre Induktivität 110 auf. Ein erster Zwischenkreiskondensator 112 ist zwischen den Zuleitungen 104 geschaltet und bildet zusammen mit den parasitären Induktivitäten 110 und der Halbbrücke 106 eine Kommuntierungsmasche/-schleife 114. Die von der Kommutierungsmasche 114 aufgespannte gedachte Fläche beeinflusst das Verhalten hinsichtlich Überschwingen und Oszillationen, insbesondere in den Ansteuerschaltkreisen der Leistungsschalter 108. 3 shows a bridge circuit as is known from the prior art. Such a bridge circuit 100 has a DC voltage source 102, for example a battery, which is connected to a half-bridge 106 with two power switches 108 via supply lines 104. The leads have parasitic inductance 110 . A first intermediate circuit capacitor 112 is connected between the supply lines 104 and, together with the parasitic inductances 110 and the half-bridge 106, forms a commutation mesh/loop 114. The imaginary area spanned by the commutation mesh 114 influences the behavior in terms of overshoot and oscillations, particularly in the control circuits of the Circuit breaker 108.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Leistungsmodule zu verbessern, insbesondere hinsichtlich Überschwingen und Oszillationen in den Kommutierungskreisen oder Ansteuerschaltkreisen der Leistungsschalter.It is the object of the invention to improve power modules, in particular with regard to overshoots and oscillations in the commutation circuits or control circuits of the power switches.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is solved by the subject matter of the independent claims. Preferred developments are the subject matter of the dependent claims.

Die Erfindung schafft einen Brückenschaltkreis für ein Leistungsmodul eines Stromrichters, vorzugsweise eines Wechselrichters, wobei der Brückenschaltkreis eine positive Versorgungsschiene und eine negative Versorgungsschiene jeweils für Gleichspannung; einen ersten Zwischenkreiskondensator, der zwischen den Versorgungsschienen geschaltet ist; und eine Halbbrücke umfasst, die zwischen den Versorgungsschienen parallel zu dem ersten Zwischenkreiskondensator geschaltet ist und die wenigstens zwei in Serie geschaltete Leistungsschalter aufweist. Ein zweiter Zwischenkreiskondensator ist zwischen den Versorgungsschienen derart parallel relativ zu dem ersten Zwischenkreiskondensator und zu der Halbbrücke geschaltet, dass eine zweite Kommutierungsmasche, die aus dem zweiten Zwischenkreiskondensator, aus der Halbbrücke und aus den diese verbindenden Abschnitten der Versorgungsschienen gebildet ist, eine kleinere gedachte Fläche aufspannt als eine erste Kommutierungsmasche, die aus dem ersten Zwischenkreiskondensator, aus der Halbbrücke und aus den diese verbindenden Abschnitten der Versorgungsschienen gebildet ist.The invention provides a bridge circuit for a power module of a power converter, preferably an inverter, the bridge circuit having a positive supply rail and a negative supply rail, each for DC voltage; a first link capacitor connected between the supply rails; and a half-bridge connected between the supply rails in parallel with the first intermediate circuit capacitor and having at least two series-connected power switches. A second intermediate circuit capacitor is connected between the supply rails in parallel relative to the first intermediate circuit capacitor and to the half bridge in such a way that a second commutation loop, which is formed from the second intermediate circuit capacitor, the half bridge and the sections of the supply rails connecting them, spans a smaller imaginary area as a first commutation loop, which is formed from the first intermediate circuit capacitor, from the half-bridge and from the sections of the supply rails connecting them.

Es ist bevorzugt, dass der erste Zwischenkreiskondensator eine größere Kapazität aufweist als der zweite Zwischenkreiskondensator.It is preferred that the first intermediate circuit capacitor has a greater capacitance than the second intermediate circuit capacitor.

Es ist bevorzugt, dass der zweite Zwischenkreiskondensator angepasst ist, in das Leistungsmodul integriert zu werden.It is preferred that the second intermediate circuit capacitor is adapted to be integrated into the power module.

Es ist bevorzugt, dass der zweite Zwischenkreiskondensator ein Keramikkondensator oder ein Filmkondensator ist.It is preferred that the second intermediate circuit capacitor is a ceramic capacitor or a film capacitor.

Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein oder jeder Leistungsschalter ein Transistor ist.It is preferred that at least one or each power switch is a transistor.

Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein oder jeder Leistungsschalter und/oder Transistor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus IGBT, MOSFET, SiC-MOSFET und GaN-MOSFET besteht.It is preferred that at least one or each power switch and/or transistor is selected from a group consisting of IGBT, MOSFET, SiC-MOSFET and GaN-MOSFET.

Die Erfindung schafft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, vorzugsweise einen Wechselrichter, wobei das Leistungsmodul ein DBC-Substrat und einen darauf ausgebildeten Brückenschaltkreis umfasst, wobei der Brückenschaltkreis eine positive Versorgungsschiene und eine negative Versorgungsschiene jeweils für Gleichspannung; eine Halbbrücke aufweist, die zwischen den Versorgungsschienen geschaltet ist und die wenigstens zwei in Serie geschaltete Leistungsschalter aufweist. Ein Zwischenkreiskondensator ist zwischen den Versorgungsschienen parallel zu der Halbbrücke geschaltet.The invention provides a power module for a power converter, preferably an inverter, the power module comprising a DBC substrate and a bridge circuit formed thereon, the bridge circuit having a positive supply rail and a negative supply rail for DC voltage, respectively; a half-bridge connected between the supply rails and having at least two power switches connected in series. An intermediate circuit capacitor is connected between the supply rails in parallel with the half-bridge.

Es ist bevorzugt, dass der Zwischenkreiskondensator ein Keramikkondensator oder ein Filmkondensator ist.It is preferred that the intermediate circuit capacitor is a ceramic capacitor or a film capacitor.

Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein oder jeder Leistungsschalter und/oder Transistor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus IGBT (engl. „insulated gate bipolar transistor“, bipolarer Transistor mit isoliertem Gate), MOSFET, SiC-MOSFET und GaN-MOSFET besteht.It is preferred that at least one or each power switch and/or transistor is selected from a group consisting of IGBT (insulated gate bipolar transistor), MOSFET, SiC-MOSFET and GaN-MOSFET .

Die Erfindung schafft eine Leistungsmodulbeschaltung für ein bevorzugtes Leistungsmodul, wobei die Leistungsmodulbeschaltung eine positive Sammelschine, die an die positive Versorgungsschiene angeschlossen ist, eine negative Sammelschiene, die an die negative Versorgungsschiene angeschlossen ist, einen ersten Zwischenkreiskondensator und den zwischen den Versorgungsschienen geschalteten Zwischenkreiskondensator als zweiten Zwischenkreiskondensator umfasst, wobei der erste Zwischenkreiskondensator zwischen der positiven und der negativen Sammelschiene geschaltet ist.The invention provides power module circuitry for a preferred power module, the power module circuitry having a positive busbar that is connected to the positive supply rail, a negative busbar that is connected to the negative supply rail, a first intermediate circuit capacitor and the intermediate circuit capacitor connected between the supply rails as the second intermediate circuit capacitor comprises, wherein the first intermediate circuit capacitor between the positive and the negative busbar is connected.

Es ist bevorzugt, dass der erste Zwischenkreiskondensator relativ zu dem zweiten Zwischenkreiskondensator derart angeordnet ist, dass eine zweite Kommutierungsmasche, die aus dem zweiten Zwischenkreiskondensator, aus der Halbbrücke und aus den diese verbindenden Abschnitten der Versorgungsschienen gebildet ist, eine kleinere gedachte Fläche aufspannt als eine erste Kommutierungsmasche, die aus dem ersten Zwischenkreiskondensator, aus der Halbbrücke und aus den diese verbindenden Abschnitten der Sammel- und Versorgungsschienen gebildet ist.It is preferred that the first intermediate circuit capacitor is arranged relative to the second intermediate circuit capacitor in such a way that a second commutation loop, which is formed from the second intermediate circuit capacitor, the half bridge and the sections of the supply rails connecting them, spans a smaller imaginary area than a first one Commutation mesh, which is formed from the first intermediate circuit capacitor, from the half-bridge and from the connecting sections of the bus and supply rails.

Die Erfindung schafft einen Stromrichter, vorzugsweise Wechselrichter, vorzugsweise einen mehrphasigen Wechselrichter, wobei der Stromrichter wenigstens einen bevorzugten Brückenschaltkreis und/oder wenigstens ein bevorzugtes Leistungsmodul und/oder eine bevorzugte Leistungsmodulbeschaltung sowie eine Steuereinheit umfasst, die ausgebildet ist, die Halbbrücke anzusteuern, um eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung zu erzeugen.The invention provides a power converter, preferably an inverter, preferably a multi-phase inverter, the power converter comprising at least one preferred bridge circuit and/or at least one preferred power module and/or a preferred power module wiring and a control unit which is designed to control the half-bridge in order to generate an AC voltage or to generate a DC voltage.

Die Erfindung schafft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Luftfahrzeug, wobei das Antriebssystem ausgebildet ist, eine Fortbewegung des Fahrzeugs hervorzurufen, und das einen bevorzugten Brückenschaltkreis und/oder wenigstens ein bevorzugtes Leistungsmodul und/oder eine bevorzugte Leistungsmodulbeschaltung und/oder einen bevorzugten Wechselrichter umfasst.The invention provides an electric drive system for a vehicle, preferably for an aircraft, wherein the drive system is designed to cause the vehicle to move and which has a preferred bridge circuit and/or at least one preferred power module and/or a preferred power module wiring and/or a preferred Inverter included.

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik (engl. „Power Electronics“, PE) und analoges Schaltkreisdesign. In PE-Systemen ist die unvermeidbare Induktivität von Kommutierungsmaschen (Kommutierungsschleifen) ein großes Thema, weil diese ein Überschwingen beim Schalten und Oszillationen in den Kommutierungskreisen oder Gate-Schaltkreisen verursachen kann, was sich auf die Arbeitsweise des gesamten Stromrichter bzw. Wechselrichters auswirken kann.The invention relates to the field of power electronics (PE) and analog circuit design. In PE systems, the unavoidable inductance of commutation meshes (commutation loops) is a big issue because it can cause switching ringing and oscillations in the commutation circuits or gate circuits, which can affect the operation of the entire converter or inverter.

Eine Ursache für diese Induktivität ist die Verbindung des Leistungsschalters (z. B. der Halbbrücke) mit einem Gleichspannungszwischenkreiskondensator. In den meisten Wechselrichtern, insbesondere jenen mit niedrigen Schaltfrequenzen, werden Gleichspannungszwischenkreiskondensatoren mit hoher Kapazität (zwecks Energiespeicherung) verwendet. Meist ist es daher nicht möglich, diese Kondensatoren in der Nähe der Leistungsgeräte anzuordnen.One cause of this inductance is the connection of the power switch (e.g. the half-bridge) to a DC link capacitor. Most inverters, especially those with low switching frequencies, use high capacitance DC link capacitors (for energy storage). It is therefore usually not possible to place these capacitors close to the power devices.

Jeder Millimeter Abstand kann eine zusätzliche Induktivität von etwa 1 Nanohenry (1 nH) verursachen, so dass die gesamte Kommutationsschleifeninduktivität dramatisch ansteigen kann. Zwar können gut ausgelegte Leistungsmodule eine interne Induktivität bis hinunter zu 7 nH erreichen, allerdings reicht bereits ein Abstand des Kondensators von 1 cm für mehr als eine Verdopplung der Induktivität und daher der Überschwinger oder der Oszillationen (bei den gegebenen Parametern) aus.Each millimeter of distance can introduce about 1 nanohenry (1 nH) of additional inductance, so the total commutation loop inductance can increase dramatically. While well-designed power modules can achieve internal inductance as low as 7 nH, 1 cm separation of the capacitor is enough to more than double the inductance and hence the overshoot or oscillations (at the given parameters).

Bislang ist es die Idee, den Abstand zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und dem Leistungsmodul und zusätzlich die Induktivität durch eine niedriginduktive Stromschiene zu verringern. Dies kann jedoch für die schnellen Transienten die mittels neuartiger Halbleitertechnologien von Halbleitern mit großer Bandlücke, wie etwa Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), unzureichend seien.So far, the idea has been to reduce the distance between the DC link and the power module and also the inductance by using a low-inductance busbar. However, this may be insufficient for the fast transients generated by emerging semiconductor technologies of wide bandgap semiconductors such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN).

Vorteil der hier vorgestellten Ideen ist eine minimierte Kommutierungsmasche, die eine wesentlich geringere Streuinduktivität ermöglicht. Es kann das Schaltverhalten verbessert werden, insbesondere können Überschwinger verringert werden. Dies ermöglicht auch eine effizientere Nutzung der Halbleiter, bspw. in einer Bauart mit reduzierter Durchbruchspannung (und daher niedrigerem RDSon). Zudem können die Schaltverluste verringert werden, weil schnellere Schaltübergänge und geringere Überschwinger möglich sind.The advantage of the ideas presented here is a minimized commutation mesh, which enables a significantly lower leakage inductance. The switching behavior can be improved, in particular overshoots can be reduced. This also enables the semiconductors to be used more efficiently, for example in a design with a reduced breakdown voltage (and therefore lower RDSon). In addition, the switching losses can be reduced because faster switching transitions and lower overshoots are possible.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen zusätzlichen aber kleineren Gleichspannungszwischenkreiskondensator in die Nähe der Schaltbauteile anzuordnen (bspw. einphasig; Halbbrücke eines Wechselrichters). Es ist auch denkbar, dass der zusätzliche Zwischenkreiskondensator auf dem DBC-Substrat (engl. „direct bonded copper“) untergebracht ist und damit in dem Leistungsmodul integriert werden kann.According to the invention, it is proposed to arrange an additional but smaller DC link capacitor in the vicinity of the switching components (e.g. single-phase; half-bridge of an inverter). It is also conceivable that the additional intermediate circuit capacitor is accommodated on the DBC (direct bonded copper) substrate and can thus be integrated in the power module.

Somit kann die Größe der Kommutierungsmasche und damit die korrespondierende Streuinduktivität weiter verringert werden. Im Falle eines integrierten Kondensators kann eine nahezu perfekte elektrische Verbindung zwischen dem Leistungsmodul und dem Kondensator erreicht werden. Die Induktivität der Kommutierungsmasche ist dann lediglich durch die internen Verbindungen (Bonddrähte, Klips, Anschlüsse) und die internen Chipparameter gegeben.The size of the commutation loop and thus the corresponding leakage inductance can thus be further reduced. In the case of an integrated capacitor, an almost perfect electrical connection between the power module and the capacitor can be achieved. The inductance of the commutation mesh is then only given by the internal connections (bonding wires, clips, connections) and the internal chip parameters.

Der zusätzliche Gleichspannungszwischenkreiskondensator kann physisch und kapazitiv sehr klein sein (Berechnung aufgrund der Überschwinger-Energie während der Kommutierung). Es können daher insbesondere Keramikkondensatoren verwendet werden. Denkbar ist es auch, dass der Kondensator parallel zu der Halbbrücke oder sogar innerhalb des Leistungsmoduls angeordnet werden kann. Es können anstelle von Keramikkondensatoren auch Filmkondensatoren verwendet werden.The additional DC link capacitor can be very small physically and capacitively (calculation based on the overshoot energy during commutation). Ceramic capacitors in particular can therefore be used. It is also conceivable that the Konden sator can be arranged in parallel with the half-bridge or even inside the power module. Film capacitors can also be used instead of ceramic capacitors.

Aufgrund des verbesserten Schaltverhaltens kann auch ein hoher Stromrippel bei niedrigem Widerstand möglich sein. Bevorzugt kann eine niedrig induktive Verbindung (Stromschiene) zwischen dem Hauptzwischenkreiskondensator und dem zusätzlichen Zwischenkreiskondensator verwendet werden, um Schwingungen zwischen dem kleinen und dem großen Kondensator zu vermeiden.Due to the improved switching behavior, a high current ripple with a low resistance can also be possible. A low-inductance connection (busbar) can preferably be used between the main intermediate circuit capacitor and the additional intermediate circuit capacitor in order to avoid oscillations between the small and the large capacitor.

Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine Ausführungsform eines Brückenschaltkreises gemäß der Erfindung;
2 eine Ausführungsform einer Leistungsmodulbeschaltung gemäß der Erfindung; und
3 einen Brückenschaltkreis gemäß dem Stand der Technik.

Exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 an embodiment of a bridge circuit according to the invention;
2 an embodiment of a power module wiring according to the invention; and
3 a bridge circuit according to the prior art.

1 zeigt einen Brückenschaltkreis 10. Der Brückenschaltkreis 10 umfasst eine Gleichspannungsquelle 12. Die Gleichspannungsquelle 12 kann ein Batteriesystem sein, bspw. ein Batteriesystem auf Lithium-Ionen Basis. 1 FIG. 1 shows a bridge circuit 10. The bridge circuit 10 comprises a DC voltage source 12. The DC voltage source 12 can be a battery system, for example a lithium-ion battery system.

Der Brückenschaltkreis 10 umfasst ferner eine positive Versorgungsschiene 14 und eine negative Versorgungsschiene 16. Die positive und die negative Versorgungsschiene 14, 16 sind jeweils an die entsprechenden Klemmen der Gleichspannungsquelle 12 angeschlossen.The bridge circuit 10 further includes a positive supply rail 14 and a negative supply rail 16. The positive and negative supply rails 14, 16 are connected to the corresponding terminals of the DC voltage source 12, respectively.

Der Brückenschaltkreis 10 umfasst ferner einen ersten Zwischenkreiskondensator 18, der zwischen den Versorgungsschienen 10, 16 und parallel zu der Gleichspannungsquelle 12 geschaltet ist. Der erste Zwischenkreiskondensator 18 ist ein üblicher Zwischenkreiskondensator.The bridge circuit 10 also includes a first intermediate circuit capacitor 18 which is connected between the supply rails 10, 16 and in parallel with the DC voltage source 12. The first intermediate circuit capacitor 18 is a conventional intermediate circuit capacitor.

Der Brückenschaltkreis 10 umfasst ferner eine Halbbrücke 20 die zwischen den Versorgungsschienen 14, 16 parallel zu dem ersten Zwischenkreiskondensator 18 geschaltet ist. Die Halbbrücke 20 umfasst wenigstens zwei in Serie geschaltete Leistungsschalter 22. Die Leistungsschalter 22 sind bevorzugt Transistoren auf Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke, bspw. SiC-MOSFET oder GaN-MOSFET. Denkbar ist auch die Verwendung von bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (engl. „insulated gate bipolar transistor“, IGBT).The bridge circuit 10 also includes a half-bridge 20 which is connected between the supply rails 14, 16 in parallel with the first intermediate circuit capacitor 18. The half-bridge 20 comprises at least two power switches 22 connected in series. The power switches 22 are preferably transistors based on semiconductors with a large band gap, for example SiC MOSFETs or GaN MOSFETs. The use of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) is also conceivable.

Der Brückenschaltkreis 10 umfasst ferner eine Mehrzahl von Leitungsinduktivitäten 24, die schematisch in den Figuren mit einem Spulensymbol dargestellt sind; es sollte jedoch beachtet werden, dass damit lediglich die unvermeidbaren Induktivitäten der Leitungen symbolisch dargestellt werden. Sie zeigen nicht an, dass eine Spule als Bauelement verbaut worden ist.The bridge circuit 10 further comprises a plurality of line inductances 24, which are shown schematically in the figures with a coil symbol; however, it should be noted that this is only a symbolic representation of the unavoidable inductances of the lines. They do not indicate that a coil has been installed as a component.

Der Brückenschaltkreis 10 umfasst ferner einen zweiten Zwischenkreiskondensator 26. Der zweite Zwischenkreiskondensator 26 ist zwischen den Versorgungsschienen 14, 16 und parallel zu der Halbbrücke 20 geschaltet. Ferner ist der zweite Zwischenkreiskondensator 26 näher an der Halbbrücke 20 angeordnet, als der erste Zwischenkreiskondensator 18.The bridge circuit 10 also includes a second intermediate circuit capacitor 26. The second intermediate circuit capacitor 26 is connected between the supply rails 14, 16 and in parallel with the half-bridge 20. Furthermore, the second intermediate circuit capacitor 26 is arranged closer to the half-bridge 20 than the first intermediate circuit capacitor 18.

Der zweite Zwischenkreiskondensator 26 weist vorzugsweise eine geringere Kapazität auf als der erste Zwischenkreiskondensator 18. Der zweite Zwischenkreiskondensator 26 ist vorzugsweise ein Keramikkondensator oder ein Filmkondensator.The second intermediate circuit capacitor 26 preferably has a lower capacitance than the first intermediate circuit capacitor 18. The second intermediate circuit capacitor 26 is preferably a ceramic capacitor or a film capacitor.

Der erste Zwischenkreiskondensator 18 die Halbbrücke 20 sowie die diese verbindenden Abschnitte der Versorgungsschienen 14, 16 bilden eine erste Kommutierungsmasche 28. Die erste Kommutierungsmasche 28 spannt eine gedachte erste Fläche 30 auf.The first intermediate circuit capacitor 18, the half-bridge 20 and the sections of the supply rails 14, 16 connecting them form a first commutation mesh 28. The first commutation mesh 28 spans an imaginary first surface 30.

Der zweite Zwischenkreiskondensator 26, die Halbbrücke 20 sowie die diese verbindenden Abschnitte der Versorgungsschienen 14, 16 bilden eine zweite Kommutierungsmasche 32. Die zweite Kommutierungsmasche 32 spannt eine gedachte zweite Fläche 34 auf, die kleiner als die erste Fläche 30 ist. Folglich weist die zweite Kommutierungsmasche 32 eine geringere Induktivität auf als die erste Kommutierungsmasche 28.The second intermediate circuit capacitor 26, the half-bridge 20 and the sections of the supply rails 14, 16 connecting them form a second commutation mesh 32. The second commutation mesh 32 spans an imaginary second area 34 which is smaller than the first area 30. Consequently, the second commutation loop 32 has a lower inductance than the first commutation loop 28.

Wenn der Brückenschaltkreis mit einer niedrigeren Schaltfrequenz betrieben wird, so wird die an einer Ausgangsschiene 36 bereitgestellte Ausgangsspannung durch den ersten Zwischenkreiskondensator 18 gestützt, der einen großen Energieinhalt aufweist und den niedrigen Schaltfrequenzen folgen kann.When the bridge circuit is operated at a lower switching frequency, the output voltage provided at an output rail 36 is supported by the first intermediate circuit capacitor 18, which has a large energy content and can track the low switching frequencies.

Wird der Brückenschaltkreis 10 jedoch mit einer hohen Schaltfrequenz betrieben, so kann die Spannung an der Ausgangsschiene 36 durch den zweiten Zwischenkreiskondensator 26 während des Umschaltvorgangs gestützt werden, der aufgrund der niedrigeren Induktivität der zweiten Kommutierungsmasche 32 und seiner bevorzugt geringeren Kapazität den schnelleren Schaltvorgängen besser folgen kann. Nach dem Umschaltvorgang greift dann wieder der erste Zwischenkreiskondensator 18.However, if the bridge circuit 10 is operated at a high switching frequency, the voltage at the output rail 36 can be supported by the second intermediate circuit capacitor 26 during the switching process, which can follow the faster switching processes better due to the lower inductance of the second commutation loop 32 and its preferably lower capacitance . After the switching process, the first intermediate circuit capacitor 18 takes effect again.

Es wird nachfolgend auf 2 Bezug genommen, die ein Leistungsmodul 38 für einen Wechselrichter (nicht näher dargestellt) zeigt. Das Leistungsmodul 38 weist den zuvor beschriebenen Brückenschaltkreis 10 mit Ausnahme des ersten Zwischenkreiskondensators 18 auf. Das Leistungsmodul 38 enthält ein DBC-Substrat 40, auf dem der Brückenschaltkreis 10 ausgebildet ist, wiederum mit Ausnahme des ersten Zwischenkreiskondensators 18.It will be referred to below 2 Reference is made, which shows a power module 38 for an inverter (not shown in detail). That Power module 38 has the previously described bridge circuit 10 with the exception of the first intermediate circuit capacitor 18 . The power module 38 includes a DBC substrate 40 on which the bridge circuit 10 is formed, again with the exception of the first link capacitor 18.

Das Leistungsmodul 38 wird vorzugsweise wie nachfolgend beschrieben beschaltet.The power module 38 is preferably connected as described below.

Die positive Versorgungsschiene 14 ist mit einer positiven Sammelschiene 42 elektrisch verbunden. Die negative Versorgungsschiene 16 ist mit einer negativen Sammelschiene 44 elektrisch verbunden. Die positive und die negative Sammelschiene 42, 44 sind außerhalb des Leistungsmoduls 38 angeordnet. Zwischen der positiven Sammelschiene 42 und der negativen Sammelschiene 44 ist der erste Zwischenkreiskondensator 18 des Brückenschaltkreises 10 geschaltet.The positive supply rail 14 is electrically connected to a positive bus bar 42 . The negative supply rail 16 is electrically connected to a negative bus bar 44 . The positive and negative bus bars 42, 44 are located outside of the power module 38. FIG. The first intermediate circuit capacitor 18 of the bridge circuit 10 is connected between the positive busbar 42 and the negative busbar 44 .

Innerhalb des Leistungsmoduls 38 (bspw. innerhalb des Gehäuses 46) ist der zweite Zwischenkreiskondensator 26 untergebracht. Wie zuvor beschrieben, ist der zweite Zwischenkreiskondensator 26 parallel zu der Halbbrücke 20 geschaltet und möglichst nahe an der Halbbrücke 20 auf dem DBC-Substrat 40 angeordnet. Der zweite Zwischenkreiskondensator 26 befindet sich vorzugsweise in denjenigen Halbabschnitten der Versorgungsschienen 14, 16 die unmittelbar mit der Halbbrücke 20 elektrisch verbunden sind. Die Ausgangsschiene 36 ist mit einer Ausgangssammelschiene 48 elektrisch verbunden, um die von dem Leistungsmodul 38 erzeugte Wechselspannung an die zu versorgende Last zu liefern. Die Ausgangssammelschiene 48 ist außerhalb des Leistungsmoduls 38 angeordnet.The second intermediate circuit capacitor 26 is accommodated within the power module 38 (for example within the housing 46). As described above, the second intermediate circuit capacitor 26 is connected in parallel to the half-bridge 20 and is arranged as close as possible to the half-bridge 20 on the DBC substrate 40 . The second intermediate circuit capacitor 26 is preferably located in those half-sections of the supply rails 14, 16 which are electrically connected directly to the half-bridge 20. The output bus 36 is electrically connected to an output bus 48 for supplying the AC voltage generated by the power module 38 to the load to be powered. The output bus bar 48 is arranged outside of the power module 38 .

Es sollte beachtet werden, dass in einer Variante auch der zweite Zwischenkreiskondensator 26 zwischen den Sammelschienen 42, 44 und damit außerhalb des Leistungsmoduls 38 angeordnet sein kann. In diesem Fall ist der zweite Zwischenkreiskondensator 26 näher an dem Leistungsmodul 38, und damit näher an der Halbbrücke 20, angeordnet als der erste Zwischenkreiskondensator 18.It should be noted that, in one variant, the second intermediate circuit capacitor 26 can also be arranged between the busbars 42, 44 and thus outside the power module 38. In this case, the second intermediate circuit capacitor 26 is arranged closer to the power module 38, and thus closer to the half-bridge 20, than the first intermediate circuit capacitor 18.

Um die Fähigkeiten von Leistungsmodulen 38, insbesondere hinsichtlich Überschießen und Oszillationen in deren Kommutierungsschaltkreisen oder Gate-Schaltkreisen zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen zweiten Zwischenkreiskondensator 26 in der Nähe der Halbbrücke 20 des Leistungsmoduls 38 anzuordnen. Der zweite Zwischenkreiskondensator 26 kann in das Leistungsmodul 38 integriert sein.In order to improve the capabilities of power modules 38, in particular with regard to overshooting and oscillations in their commutation circuits or gate circuits, it is proposed according to the invention to arrange a second intermediate circuit capacitor 26 in the vicinity of half-bridge 20 of power module 38. The second intermediate circuit capacitor 26 can be integrated into the power module 38 .

BezugszeichenlisteReference List

1010: Brückenschaltkreisbridge circuit
1212: GleichspannungsquelleDC voltage source
1414: positive Versorgungsschienepositive supply rail
1616: negative Versorgungsschienenegative supply rail
1818: erster Zwischenkreiskondensatorfirst intermediate circuit capacitor
2020: Halbbrückehalf bridge
2222: Leistungsschaltercircuit breaker
2424: Leitungsinduktivitätline inductance
2626: zweiter Zwischenkreiskondensatorsecond intermediate circuit capacitor
2828: erste Kommutierungsmaschefirst commutation mesh
3030: erste Flächefirst face
3232: zweite Kommutierungsmaschesecond commutation mesh
3434: zweite Flächesecond surface
3636: Ausgangsschieneexit rail
3838: Leistungsmodulpower module
4040: DBC-SubstratDBC substrate
4242: positive Sammelschienepositive busbar
4444: negative Sammelschienenegative busbar
4646: GehäuseHousing
4848: Ausgangssammelschieneoutput busbar

Claims

Brückenschaltkreis (10) für ein Leistungsmodul (38) eines Stromrichters, vorzugsweise eines Wechselrichters, wobei der Brückenschaltkreis (10) umfasst: eine positive Versorgungsschiene (14) und eine negative Versorgungsschiene (16) jeweils für Gleichspannung; einen ersten Zwischenkreiskondensator (18), der zwischen den Versorgungsschienen (14, 16) geschaltet ist; und eine Halbbrücke (20), die zwischen den Versorgungsschienen (14, 16) parallel zu dem ersten Zwischenkreiskondensator (18) geschaltet ist und die wenigstens zwei in Serie geschaltete Leistungsschalter (22) aufweist, gekennzeichnet durch einen zweiten Zwischenkreiskondensator (26), der zwischen den Versorgungsschienen (14, 16) derart parallel relativ zu dem ersten Zwischenkreiskondensator (18) und zu der Halbbrücke (20) geschaltet ist, dass eine zweite Kommutierungsmasche (32), die aus dem zweiten Zwischenkreiskondensator (26), aus der Halbbrücke (20) und aus den diese verbindenden Abschnitten der Versorgungsschienen (14, 16) gebildet ist, eine kleinere gedachte Fläche aufspannt als eine erste Kommutierungsmasche (28), die aus dem ersten Zwischenkreiskondensator (26), aus der Halbbrücke (20) und aus den diese verbindenden Abschnitten der Versorgungsschienen gebildet ist.Bridge circuit (10) for a power module (38) of a power converter, preferably an inverter, the bridge circuit (10) comprising: a positive supply rail (14) and a negative supply rail (16), each for DC voltage; a first intermediate circuit capacitor (18) connected between the supply rails (14, 16); and a half-bridge (20) which is connected between the supply rails (14, 16) in parallel with the first intermediate circuit capacitor (18) and which has at least two power switches (22) connected in series, characterized by a second intermediate circuit capacitor (26) which is connected between the supply rails (14, 16) is connected in parallel relative to the first intermediate circuit capacitor (18) and to the half-bridge (20) that a second commutation mesh (32) consisting of the second intermediate circuit capacitor (26), the half-bridge (20) and formed from the connecting sections of the supply rails (14, 16), spans a smaller imaginary area than a first commutation mesh (28) consisting of the first Intermediate circuit capacitor (26) is formed from the half-bridge (20) and from the sections of the supply rails connecting it.

Brückenschaltkreis (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Zwischenkreiskondensator (18) eine größere Kapazität aufweist als der zweite Zwischenkreiskondensator (26).Bridge circuit (10) after claim 1 , wherein the first intermediate circuit capacitor (18) has a greater capacitance than the second intermediate circuit capacitor (26).

Brückenschaltkreis (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Zwischenkreiskondensator (26) angepasst ist, in das Leistungsmodul (38) integriert zu werden.A bridge circuit (10) according to any one of the preceding claims, wherein the second intermediate circuit capacitor (26) is adapted to be integrated into the power module (38).

Brückenschaltkreis (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Zwischenkreiskondensator (26) ein Keramikkondensator oder ein Filmkondensator ist.Bridge circuit (10) according to one of the preceding claims, wherein the second intermediate circuit capacitor (26) is a ceramic capacitor or a film capacitor.

Brückenschaltkreis (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein oder jeder Leistungsschalter (22) ein Transistor ist.A bridge circuit (10) as claimed in any preceding claim, wherein at least one or each power switch (22) is a transistor.

Brückenschaltkreis (10) nach Anspruch 5, wobei wenigstens ein oder jeder Leistungsschalter (22) und/oder Transistor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus IGBT, MOSFET, SiC-MOSFET und GaN-MOSFET besteht.Bridge circuit (10) after claim 5 , wherein at least one or each power switch (22) and/or transistor is selected from a group consisting of IGBT, MOSFET, SiC-MOSFET and GaN-MOSFET.

Leistungsmodul (38) für einen Wechselrichter, wobei das Leistungsmodul (38) ein DBC-Substrat und einen darauf ausgebildeten Brückenschaltkreis (10) umfasst, wobei der Brückenschaltkreis (10) eine positive Versorgungsschiene (14) und eine negative Versorgungsschiene (16) jeweils für Gleichspannung; und eine Halbbrücke (20) aufweist, die zwischen den Versorgungsschienen (12, 14) geschaltet ist und die wenigstens zwei in Serie geschaltete Leistungsschalter (22) aufweist, gekennzeichnet durch einen Zwischenkreiskondensator (18, 26), der zwischen den Versorgungsschienen (14, 16) parallel zu der Halbbrücke (20) geschaltet ist.Power module (38) for an inverter, the power module (38) comprising a DBC substrate and a bridge circuit (10) formed thereon, the bridge circuit (10) having a positive supply rail (14) and a negative supply rail (16), each for DC voltage ; and a half-bridge (20) which is connected between the supply rails (12, 14) and which has at least two power switches (22) connected in series, characterized by an intermediate circuit capacitor (18, 26) which is connected between the supply rails (14, 16 ) is connected in parallel with the half-bridge (20).

Leistungsmodul (38) nach Anspruch 7, wobei der Zwischenkreiskondensator (18, 26) ein Keramikkondensator oder ein Filmkondensator ist.Power module (38) after claim 7 , wherein the intermediate circuit capacitor (18, 26) is a ceramic capacitor or a film capacitor.

Leistungsmodul (38) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei wenigstens ein oder jeder Leistungsschalter (22) ein Transistor ist.Power module (38) according to one of Claims 7 or 8th wherein at least one or each power switch (22) is a transistor.

Leistungsmodul (38) nach Anspruch 9, wobei wenigstens ein oder jeder Leistungsschalter (22) und/oder Transistor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus IGBT, MOSFET, SiC-MOSFET und GaN-MOSFET besteht.Power module (38) after claim 9 , wherein at least one or each power switch (22) and/or transistor is selected from a group consisting of IGBT, MOSFET, SiC-MOSFET and GaN-MOSFET.

Leistungsmodulbeschaltung für ein Leistungsmodul (38) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Leistungsmodulbeschaltung eine positive Sammelschine (42), die an die positive Versorgungsschiene (14) angeschlossen ist, eine negative Sammelschiene (44), die an die negative Versorgungsschiene (16) angeschlossen ist, einen ersten Zwischenkreiskondensator (18) und den zwischen den Versorgungsschienen (14, 16) geschalteten Zwischenkreiskondensator (18, 26) als zweiten Zwischenkreiskondensator (26) umfasst, wobei der erste Zwischenkreiskondensator (18) zwischen der positiven und der negativen Sammelschiene (42, 44) geschaltet ist.Power module wiring for a power module (38) according to one of Claims 7 until 10 , wherein the power module circuitry includes a positive busbar (42) connected to the positive supply rail (14), a negative busbar (44) connected to the negative supply rail (16), a first intermediate circuit capacitor (18) and the intermediate circuit capacitor (18). Supply rails (14, 16) connected intermediate circuit capacitor (18, 26) as a second intermediate circuit capacitor (26), wherein the first intermediate circuit capacitor (18) between the positive and the negative busbar (42, 44) is connected.

Leistungsmodulbeschaltung nach Anspruch 11, wobei der erste Zwischenkreiskondensator (18) relativ zu dem zweiten Zwischenkreiskondensator (26) derart angeordnet ist, dass eine zweite Kommutierungsmasche (32), die aus dem zweiten Zwischenkreiskondensator (26), aus der Halbbrücke (20) und aus den diese verbindenden Abschnitten der Versorgungsschienen (14, 16) gebildet ist, eine kleinere gedachte Fläche aufspannt als eine erste Kommutierungsmasche (28), die aus dem ersten Zwischenkreiskondensator (18), aus der Halbbrücke (20) und aus den diese verbindenden Abschnitten der Sammel- und Versorgungsschienen gebildet ist.Power module wiring according to claim 11 , wherein the first intermediate circuit capacitor (18) is arranged relative to the second intermediate circuit capacitor (26) in such a way that a second commutation loop (32) consisting of the second intermediate circuit capacitor (26), the half-bridge (20) and the sections of the supply rails (14, 16), spans a smaller imaginary area than a first commutation mesh (28), which is formed from the first intermediate circuit capacitor (18), from the half-bridge (20) and from the sections of the bus and supply rails connecting them .

Stromrichter, vorzugsweise Wechselrichter, mehr vorzugsweise mehrphasiger Wechselrichter, wobei der Stromrichter wenigstens einen Brückenschaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder wenigstens ein Leistungsmodul (38) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 und/oder eine Leistungsmodulbeschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 12 sowie eine Steuereinheit umfasst, die ausgebildet ist, die Halbbrücke (20) anzusteuern, um eine Wechselspannung oder Gleichspannung zu erzeugen.Power converter, preferably inverter, more preferably multi-phase inverter, wherein the power converter has at least one bridge circuit (10) according to one of Claims 1 until 6 and/or at least one power module (38) according to one of Claims 7 until 10 and/or a power module wiring according to one of Claims 11 until 12 and a control unit which is designed to drive the half-bridge (20) in order to generate an AC voltage or DC voltage.

Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Luftfahrzeug, wobei das Antriebssystem ausgebildet ist, eine Fortbewegung des Fahrzeugs hervorzurufen, und das einen Brückenschaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder wenigstens ein Leistungsmodul (38) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 und/oder eine Leistungsmodulbeschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 12 und/oder einen Stomrichter nach Anspruch 13 umfasst.Electrical drive system for a vehicle, preferably for an aircraft, the drive system being designed to cause the vehicle to move, and having a bridge circuit (10) according to one of Claims 1 until 6 and/or at least one power module (38) according to one of Claims 7 until 10 and/or a power module wiring according to one of Claims 11 until 12 and/or a converter Claim 13 includes.