DE102021203861A1

DE102021203861A1 - Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter, sowie Elektronikmodul

Info

Publication number: DE102021203861A1
Application number: DE102021203861.1A
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 drei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter, die als Halbleiterbauelemente gebildet sind, von denen jedes über einen eigenen Gateanschluss ansteuerbar ist. Eines ist als unipolares Halbleiterbauelement gebildet, und die anderen sind als bipolare Halbleiterbauelemente gebildet. Das erste bipolare Halbleiterbauelement ist als IGBT gebildet, und das zweite bipolare Halbleiterbauelement ist als zum ersten bipolaren Halbleiterbauelement antiparalleler IGBT gebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa 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 (etwa 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). In früheren Invertern kamen SiC-Schottky Dioden in Kombination mit Silizium (Si)-IGBTs zum Einsatz, um die Sperrverzugsladung zu reduzieren, wie z.B. aus der DE19638620A1 oder der GB2270797A bekannt.
Die Einsparung von SiC-Fläche auf dem Chip ist aus diversen Gründen notwendig, unter anderem aus Gründen des Platzbedarfs, aber auch der Kosten. Beispielsweise benötigen Inverter aus einem Silizium-IGBT und einer SiC-Schottky Diode weniger SiC-Fläche als reine SiC-MOSFET Inverter. Eine Parallelschaltung aus IGBT mit antiparalleler Diode und einem SiC-MOSFET verspricht eine hohe Effizienz. In Vorwärtsrichtung kann zudem eine Beeinflussung der Stromaufteilung durch die Gatespannung eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Beeinflussung der vorliegenden Sperrverzögerungsladung. In Rückwärtsrichtung ist aber die fehlende Steuerbarkeit dieses topologischen Schalters ein Problem. Während die Stromaufteilung in Vorwärtsrichtung mittels Gatespannung am MOSFET und IGBT getrennt voneinander eingestellt werden kann, ist dies in Rückwärtsrichtung nur bedingt möglich. Durch die Gatespannung des MOSFET lässt sich zwar die Rückwärtscharakteristik dieses Bauteils beeinflussen, aber der rückwärtige Pfad des MOSFET lässt sich nicht vollständig sperren. Die Rückwärtscharakteristik der antiparallen Diode des IGBT lässt sich jedoch überhaupt nicht beeinflussen, was zu einem hohen Teilstrom in der Siliziumdiode führt. Die daraus resultierenden hohen Schaltverluste sind unerwünscht und führen zu einer Verschlechterung der Gesamtleistung des topologischen Schalters.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine entsprechend verbesserte Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter eines Inverters zur Nutzung bei Elektroantrieben von Fahrzeugen, sowie ein zugehöriges Elektronikmodul bereitzustellen, welche diese Nachteile überwinden.
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 drei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter, die als Halbleiterbauelemente gebildet sind, von denen jedes über einen eigenen Gateanschluss ansteuerbar ist. Eines ist als unipolares Halbleiterbauelement gebildet, und die anderen sind als bipolare Halbleiterbauelemente gebildet. Das erste bipolare Halbleiterbauelement ist als IGBT gebildet, und das zweite bipolare Halbleiterbauelement ist als zum ersten bipolaren Halbleiterbauelement antiparalleler IGBT gebildet, der in Rückwärtsrichtung eine Spannung aufnehmen kann.
Wird anstatt einer zum IGBT parallel geschalteten Diode ein antiparalleler IGBT verwendet, lassen sich alle Silizium-Halbleiter sowohl in Vorwärts-, als auch in Rückwärtsrichtung abschalten. Es entsteht ein bidirektionaler Schalter, welcher eine Spannung sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung aufnehmen kann. Kleine Ströme bzw. Leistungen können somit rein mit dem MOSFET gestellt werden.
In einer Ausführung ist zweite bipolare Halbleiterbauelement als ein RB-IGBT gebildet.
In einer alternativen Ausführung ist das zweite bipolare Halbleiterbauelement als ein Feldstopp-IGBT gebildet und am Emitter-Ausgang des zweiten bipolaren Halbleiterbauelements ist eine Diode in Serie geschaltet. Genauer ist die Anode der Diode mit dem Emitter des Feldstopp-IGBT verbunden.
In einer Ausführung ist zusätzlich am Emitter-Ausgang des ersten bipolaren Halbleiterbauelements eine Diode in Serie geschaltet.
Die Schaltung kann durch Verwendung unterschiedlicher Bauteile bzw. Topologien realisiert und der Stromfluss durch Silizium-Bauteile wirksam unterbunden werden.
In einer Ausführung ist das unipolare Halbleiterbauelement als ein SiC-MOSFET gebildet. In einer Ausführung sind das erste und das zweite Halbleiterbauelement aus Silizium gebildet. Alternativ oder zusätzlich sind die Dioden Silizium gebildet.
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, ist eine möglichst kleine SiC-Fläche ein Ziel der Auslegung von Schaltungen für Leistungshalbleiter. Außerdem ist es wünschenswert, dass eine Abschaltung aller in der Schaltung verwendeten Silizium-Halbleiter sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung möglich ist.
Dieses Problem wird gelöst durch eine Parallelschaltung aus einem unipolaren Halbleiterbauelement 3 und zwei bipolaren Halbleiterbauelementen 1, 2, von denen eines als erster IGBT 1 gebildet ist, und das andere als zweiter IGBT 2 gebildet ist, der antiparallel zum ersten IGBT geschaltet ist.
Als unipolares Halbleiterbauelement 3 wird vorteilhaft ein Transistor, z.B. ein Siliziumkarbid-MOSFET bzw. SiC-MOSFET, eingesetzt, wobei es keine Beschränkung der Wahl des Halbleiterbauelements gibt, da dieses je nach Anwendung zu wählen ist.
Im Fahrzeug speist der Inverter der E-Maschine im Zustand der Wechselrichtersperre Energie in den Zwischenkreiskondensator. Hierfür muss der antiparallele IGBT eingeschaltet werden. Somit fließt Strom über die parasitären Dioden der Leistungshalbleiter bzw. über die entsprechenden Freilaufdioden in den Zwischenkreis zurück. Solange sich die E-Maschine dreht, wird der Zwischenkreiskondensator über die im Inverter bzw. den Leistungshalbleiterschaltern vorhandenen (Freilauf-)Dioden geladen. Wenn dieser höher geladen ist als die Batterie, fließt Energie zurück in die Batterie. Als Fehlerfall wird eine Überlastung der Dioden bezeichnet, denen während diesem Betrieb eine außerordentlich hohe Verlustleistung eingeprägt wird.
Im Gegensatz zu reinen SiC-Lösungen kann durch den antiparallel geschalteten IGBT ein Stromfluss der Siliziumbauteile / bipolaren Bauteile auch in Rückwärtsrichtung unterbunden werden. Durch die separat vom unipolaren Halbleiterbauelement 3 ansteuerbare Gatespannung G_IGBT1 und G_IGBT2 der beiden IGBTs 1, 2 ist eine zusätzliche Beeinflussung der Stromverteilung im Fehlerfall möglich. So kann das thermische Wegdriften eines Einzelschalters, also eines topologischen Schalters einer Parallelschaltung aus unipolarem Halbleiterbauelement 1, z.B. SiC-MOSFET, und den beiden antiparallel geschalteten IGBTs 1, 2, verhindert werden.
Aktuelle IGBTs sind mit Feld-Stopp ausgeführt und ermöglichen damit nur eine begrenzte Spannungsaufnahme von Emitter zu Kollektor. Da der IGBT 2, welcher die bisher verwendete (Freilauf-)Diode substituiert, die volle Sperrspannung aufnehmen muss, ist eine höhere Sperrspannungsfestigkeit nötig. Dies kann durch die Verwendung von RB-IGBTs sichergestellt werden, welche eine beidseitige Sperrspannungsaufnahme ermöglichen. Alternativ kann dies auch mit einer seriellen Diode 21 erreicht werden.
Das zweite Halbleiterbauelement 2 kann also als RB-IGBT, d.h. als rückwärtssperrender IGBT (Engl: Reverse Blocking IGBT), oder alternativ, wie in 1 gezeigt, als ein zum ersten Halbleiterbauelement 1 antiparallel geschalteter Feldstopp-IGBT mit einer an seinem Emitter-Ausgang in Serie geschalteter Diode 21 gebildet sein. Durch beide Schaltungsanordnungen wird ein topologischer Schalter gebildet, durch den der Stromfluss durch Silizium-Bauteile wirksam unterbunden werden kann. Das heißt, dass alle verwendeten Silizium-Halbleiter sowohl in Vorwärts-, als auch in Rückwärtsrichtung abgeschaltet werden können. Vorteilhaft ist hierbei auch, dass der Schalter über drei Steueranschlüsse bzw. Gateanschlüsse G_MOSFET, G_IGBT1, G_IGBT2 verfügt, welche unabhängig voneinander ein- oder ausgeschaltet werden können.
Das erste bipolare Halbleiterbauelement 1, d.h. der IGBT 1, welcher die Sperrspannung von Kollektor zu Emitter aufnehmen kann, benötigt nicht unbedingt eine serielle Diode 11 (in 1 mit dem Stern * gekennzeichnet). Die hier anfallende Spannung in Rückwärtsrichtung ist bedingt durch die induktive Anbindung. Die Notwendigkeit der Diode 11 ist daher bedingt durch den Aufbau und Schaltstrategie des Kommutierungskreis.
Vorteilhaft sind IGBTs 1 und 2 sowie die Dioden 11, 21 aus Silizium gebildet.
Die Schaltungsanordnung wird vorteilhaft bei topologischen Schaltern eingesetzt, wie in 1 gezeigt. Dort ist ein Einzelschalter dargestellt. Es können aber auch alle auf dem beschriebenen Prinzip basierenden Inverter-Topologien mit dieser Schaltungsanordnung realisiert werden, z.B. B6 Brücke, ANPC (active neutral point clamped) Topologie, Multilevel-Umrichter. 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: IGBT
11: Diode
2: IGBT
21: Diode (optional, durch * gekennzeichnet)
3: SiC-MOSFET
G_MOSFET: Gatespannung MOSFET 3
G_IGBT1: Gatespannung IGBT 1
G_IGBT2: Gatespannung IGBT 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19638620 A1 [0003]
GB 2270797 A [0003]

Claims

Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters, aufweisend mindestens drei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter, die als Halbleiterbauelemente (1, 2, 3) gebildet sind, von denen - jedes über einen eigenen Gateanschluss (G_MOSFET, G_IGBT1, G_IGBT2) ansteuerbar ist, und - eines als unipolares Halbleiterbauelement (3) gebildet ist, und die anderen als bipolare Halbleiterbauelemente (1, 2) gebildet sind, wobei - das erste bipolare Halbleiterbauelement (1) als IGBT gebildet ist, und - das zweite bipolare Halbleiterbauelement (2) als zum ersten bipolaren Halbleiterbauelement (1) antiparalleler IGBT (2) gebildet ist, der in Rückwärtsrichtung eine Spannung aufnehmen kann.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das zweite bipolare Halbleiterbauelement (2) als ein RB-IGBT gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das zweite bipolare Halbleiterbauelement (2) als ein Feldstopp-IGBT gebildet ist und am Emitter-Ausgang des zweiten bipolaren Halbleiterbauelements (2) eine Diode (21) in Serie geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Emitter-Ausgang des ersten bipolaren Halbleiterbauelements (1) eine Diode (11) in Serie geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das unipolare Halbleiterbauelement (3) als ein SiC-MOSFET (1) gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste bipolare und das zweite bipolare Halbleiterbauelement (1, 2) und/oder die Dioden (11, 21) aus Silizium gebildet sind.
Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 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 6 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.