DE102021203853A1

DE102021203853A1 - Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter, sowie Elektronikmodul

Info

Publication number: DE102021203853A1
Application number: DE102021203853.0A
Authority: DE
Inventors: Fabian Hohmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2022-10-20

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters, aufweisend mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter mit Halbleiterbauelementen unterschiedlicher Art, von denen eine Art unipolare Halbleiterbauelemente und die andere Art bipolare Halbleiterbauelemente sind, wobei jedes der Halbleiterbauelemente über einen eigenen Gateanschluss mit zugehörigem Gatepfad verfügt und darüber ansteuerbar ist, wobei eine Beschaltung der Gatepfade der Gateanschlüsse derart erfolgt, dass während des Ein- und/oder während des Ausschaltvorgangs die Eingangsimpedanz auf die Transkonduktanz der Halbleiterbauelemente derart angepasst wird, dass eine vorgegebene Verteilung der Schaltverlustleistung auf die Halbleiterbauelemente erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
Die Verwendung von Elektronikmodulen, z.B. Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (z.B. Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
Eine gängige Methode zur Leistungssteigerung von Invertern ist die Parallelschaltung von Leistungshalbleitern. Auch gibt es mehrere speziell zugeschnittene Halbleiteranordnungen für Inverter zur Verbesserung der Effizienz. Mit der breiten Verfügbarkeit von Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFET) bestehen die Halbleiter heutiger Hocheffizienz-Inverter rein aus Siliziumkarbid (SiC). Auch ist eine Kombination aus unipolaren und bipolaren Halbleiterbauteilen bereits weit verbreitet.
Allerdings stellt die unterschiedliche Schaltcharakteristik von solchen Kombinationen, z.B. einer Kombination aus IGBT und SiC-MOSFET, ein generelles Problem in dieser Auslegung dar, da ein SiC-MOSFET eine andere Transkonduktanz als ein IGBT besitzt. Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter eines Inverters zur Nutzung bei Elektroantrieben von Fahrzeugen, sowie ein zugehöriges Elektronikmodul bereitzustellen, welche eine Anpassung der Transkonduktanz unterschiedlicher Leistungshalbleiter im Gateansteuerkreis ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters, aufweisend mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter mit Halbleiterbauelementen unterschiedlicher Art, von denen eine Art unipolare Halbleiterbauelemente und die andere Art bipolare Halbleiterbauelemente sind, wobei jedes der Halbleiterbauelemente über einen eigenen Gateanschluss mit zugehörigem Gatepfad verfügt und darüber ansteuerbar ist, wobei eine Beschaltung der Gatepfade derart erfolgt, dass während des Ein- und/oder während des Ausschaltvorgangs die Eingangsimpedanz auf die Transkonduktanz der Halbleiterbauelemente derart angepasst wird, dass eine vorgegebene Verteilung der Schaltverlustleistung auf die Halbleiterbauelemente erfolgt.
Somit kann die unterschiedliche Schaltcharakteristik der Bauelemente gezielt angepasst werden.
In einer Ausführung erfolgt die Beschaltung der Gatepfade der Gateanschlüsse, indem mindestens ein Widerstand und/oder eine Impedanz und/oder ein Beschaltungsnetzwerk je Leistungshalbleiter vorgesehen ist. In einer alternativen Ausführung erfolgt die Beschaltung der Gatepfade der Gateanschlüsse, indem zeitlich versetzte Gatesignale an die Gatepfade der Gateanschlüsse angelegt werden.
Je nach Anwendung kann also eine Anpassung der Schaltverluste hardware- oder softwarebasiert erfolgen.
In einer Ausführung ist ein Treiber zur Ansteuerung aller Gatepfade der Gateanschlüsse vorgesehen. In einer alternativen Ausführung sind mehrere Treiber zur Ansteuerung der Gatepfade der Gateanschlüsse vorgesehen, d.h. ein Treiber je Gatepfad, genauer je Halbleiterart.
In einer Ausführung ist mindestens ein unipolares Halbleiterbauelement als ein SiC-MOSFET gebildet. In einer Ausführung ist mindestens ein bipolares Halbleiterbauelement als ein IGBT gebildet.
Ferner wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung vorgeschlagen, wobei die Gatepfade der Gateanschlüsse derart angesteuert werden, dass eine vorgegebene Verteilung der Schaltverlustleistung auf die Leistungshalbleiter erfolgt.
Ferner wird eine Verwendung einer Schaltungsanordnung in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen.
Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Elektronikmodul einen Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung aufweist.
Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildeten Elektronikmodul vorgeschlagen.
Ferner wird ein Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit einem Elektronikmodul, vorgeschlagen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau der Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Wie bereits eingangs erwähnt, stellt die unterschiedliche Schaltcharakteristik von IGBT und MOSFET ein generelles Problem in der Auslegung dar, da ein SiC-MOSFET eine andere Transkonduktanz (Korrelation von Gatespannung zu Ausgangsstrom) als ein IGBT besitzt.
Während der MOSFET, d.h. auch ein SiC-MOSFET, bereits ab einer Gatespannung von ca. 4 V beginnt zu leiten, sind bei einem IGBT mehr als 7 V nötig. Bei gleichzeitiger Ansteuerung kommt es daher während dem dynamischen Einschalten zuerst zu einer Stromüberhöhung im MOSFET. Die Transkonduktanz ist aber beim IGBT steiler, wodurch sich die (Last-)Stromverteilung mit steigender Gatespannung wieder umkehrt. Während des Abschaltvorgangs zeigt sich das Verhalten in umgekehrter Richtung, d.h. der IGBT gibt aufgrund der steileren Transkonduktanz zuerst seinen Strom an den MOSFET ab. Nach einer kurzen Zeit (und einem Absinken) steigt dieser jedoch wieder an, da der IGBT eine höhere Threshold-Spannung besitzt. Fällt die Transkonduktanz unter die Stromtragfähigkeit des MOSFET, verschiebt sich der Großteil des Stroms wieder in Richtung des MOSFET.
Der Effekt ist auch während des Einschaltens sichtbar. Um das Ein- und Ausschaltverhalten der unterschiedlichen Halbleiterbauelemente, d.h. der unipolaren Halbleiterbauelemente 1 und der bipolaren Halbleiterbauelemente 2, zu beeinflussen, wird eine Anpassung der Beschaltung der Gatepfade der Gateanschlüsse G1 (für die unipolaren Halbleiterbauelemente 1) und G2 (für die bipolaren Halbleiterbauelemente 2) der Schaltungsanordnung vorgeschlagen, wie in 1 anhand einer mittels Hardware realisierten Ausführung gezeigt.
Hier sind vor den jeweiligen Halbleiterbauelementen 1, 2 Widerstände R1 und R2 vorgesehen. Mit diesen Widerständen R1, R2 kann die Ansteuerung der Gatepfade der Gateanschlüsse G1, G2 beeinflusst werden, um Schaltverluste auf eine der Arten der Halbleiterbauelemente, also entweder auf die unipolaren Halbleiterbauelemente 1 oder auf die bipolaren Halbleiterbauelemente 2, aufzuteilen.
In 1 ist eine Ausführung gezeigt, in welcher Widerstände R1 und R2 wie nachfolgend beschrieben vorgesehen sind. Während des Ausschaltvorgangs soll der Tailstrom des IGBT, also des bipolaren Halbleiterbauelements 2, verringert werden, wodurch dieser zuerst ausgeschaltet wird bzw. einen kleineren Gatewiderstand erhält. Der gesamte Strom kommutiert danach auf den MOSFET, also das unipolare Halbleiterbauelement 1, welcher danach ausschaltet.
Während des Einschaltvorgangs kann die Transkonduktanz mittels den Widerständen R1 und R2 so angepasst werden, dass eine beliebige, d.h. je nach Anwendung vorgegebene, Verteilung der Schaltverlustleistung erfolgt. Insbesondere beim Einschaltvorgang ist es sinnvoll, die Verlustenergie auf das bipolare Bauteil, z.B. den IGBT, zu schieben, da dieser in der Regel mehr Fläche aufweist. Somit erfährt der SiC-MOSFET weniger Verlustenergie und bleibt damit kühler, was wiederum weniger Verluste in der Leitphase mit sich bringt.
Durch die separate Beschaltung der Gatepfade der Gateanschlüsse G1 und G2 können je nach verbauter Fläche die Schaltverluste auf den IGBT, also das bipolare Halbleiterbauelement 2, verteilt werden, d.h. es ist ein höherer Widerstand R1 im MOSFET vorgesehen. Alternativ können die Schaltverluste auf den MOSFET, also das unipolare Halbleiterbauelement 1, verteilt werden, d.h. es ist ein höherer Widerstand R2 im IGBT vorgesehen.
Anstatt der Verwendung von Widerständen R1 und R2 kann eine mittels Hardware gesteuerte Anpassung der Schaltverluste auch mittels Induktivitäten und/oder einem Beschaltungsnetzwerk erfolgen.
Außerdem kann alternativ eine Anpassung der Schaltverluste digital, also durch Ansteuerung der Gatepfade der Gateanschlüsse G1 und G2, erfolgen. Hierfür werden zeitlich versetzte Ansteuersignale (Gatesignale) an die Gatepfade der Gateanschlüsse G1 und G2 angelegt, je nachdem, welche Art an Halbleiterbauelement 1 oder 2 zuerst ein- bzw. ausgeschaltet werden soll.
Die unterschiedlichen Gatepfade der Gateanschlüsse G1 und G2 können mit separaten Treibern angesteuert werden, oder elektrisch verbunden sein und mit einem einzigen Treiber angesteuert werden.
Bei der Auslegung von Schaltungsanordnungen für Inverter im Rahmen der Elektromobilität ist in der Regel eine möglichst kleine SiC-Fläche, also Fläche der unipolaren Bauteile, ein Ziel. Dies wird durch eine Parallelschaltung aus (mindestens) einem unipolaren Halbleiterbauelement 1 und (mindestens) einem bipolaren Halbleiterbauelementen 2 erreicht. Als unipolares Halbleiterbauelement 1 wird vorteilhaft ein Transistor, z.B. ein Siliziumkarbid-MOSFET bzw. SiC-MOSFET, und als bipolares Halbleiterbauelement 2 wird vorteilhaft ein (Silizium-)IGBT eingesetzt, wobei es keine Beschränkung der Wahl des Halbleiterbauelements gibt, da dieses je nach Anwendung zu wählen ist.
Die Schaltungsanordnung wird vorteilhaft bei topologischen Schaltern eingesetzt. Es können aber auch alle auf dem beschriebenen Prinzip basierenden Inverter-Topologien mit dieser Schaltungsanordnung realisiert werden. Als Anwendung ist dabei vor allem der Traktionsinverter im Automobilbereich vorgesehen, d.h. die Schaltungsanordnung kann insbesondere in einem einen Inverter aufweisenden oder als Inverter gebildeten Elektronikmodul zur Ansteuerung einer E-Maschine verwendet werden. Eine E-Maschine kann vorteilhaft ein Elektroantrieb eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs sein.
Außerdem werden erfindungsgemäß ein Elektronikmodul mit einem Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung, das zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs dient, ein Elektroantrieb und ein Fahrzeug bereitgestellt.
Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) mit dem beschriebenen Inverteraufbau oder einen Teil hiervon. Das Elektronikmodul kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder einen Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind in einer Sperrspannungklasse von 650 V bis 1200V bzw. einer Spannungsklasse der Batteriespannung von ca. 400V bis 800 V, ggf. sogar bereits ab 200 V, anzusiedeln.
Bezugszeichenliste

1: MOSFET
2: IGBT
G1: Gateanschluss unipolares Bauteil
R1: Widerstand unipolares Bauteil
G2: Gateanschluss bipolares Bauteil
R2: Widerstand bipolares Bauteil

Claims

Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters, aufweisend mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter mit Halbleiterbauelementen (1, 2) unterschiedlicher Art, von denen eine Art unipolare Halbleiterbauelemente (1) und die andere Art bipolare Halbleiterbauelemente (2) sind, wobei jedes der Halbleiterbauelemente (1, 2) über einen eigenen Gateanschluss (G1, G2) mit zugehörigem Gatepfad verfügt und darüber ansteuerbar ist, wobei eine Beschaltung der Gatepfade der Gateanschlüsse (G1, G2) derart erfolgt, dass während des Ein- und/oder während des Ausschaltvorgangs die Eingangsimpedanz auf die Transkonduktanz der Halbleiterbauelemente (1, 2) derart angepasst wird, dass eine vorgegebene Verteilung der Schaltverlustleistung auf die Halbleiterbauelemente (1, 2) erfolgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Beschaltung der Gatepfade der Gateanschlüsse (G1, G2) erfolgt, indem mindestens ein Widerstand (R1, R2) und/oder eine Impedanz und/oder ein Beschaltungsnetzwerk je Leistungshalbleiter vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Beschaltung der Gatepfade der Gateanschlüsse (G1, G2) erfolgt, indem zeitlich versetzte Gatesignale an die Gatepfade der Gateanschlüsse (G1, G2) angelegt werden.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - ein Treiber zur Ansteuerung aller Gatepfade der Gateanschlüsse (G1, G2) vorgesehen ist, oder - mehrere Treiber zur Ansteuerung der Gatepfade der Gateanschlüsse (G1, G2) vorgesehen sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein unipolares Halbleiterbauelement (1) als ein SiC-MOSFET gebildet ist, und/oder wobei mindestens ein bipolares Halbleiterbauelement (2) als ein IGBT gebildet ist.
Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gatepfade der Gateanschlüsse (G1, G2) derart angesteuert werden, dass eine vorgegebene Verteilung der Schaltverlustleistung auf die Leistungshalbleiter erfolgt.
Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs.
Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, wobei das Elektronikmodul einen Inverter mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend das zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildete Elektronikmodul nach Anspruch 8.
Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit einem Elektronikmodul nach Anspruch 8.