DE102017219985A1

DE102017219985A1 - Stromrichterkomponente und Halbleitermodul einer solchen Stromrichterkomponente

Info

Publication number: DE102017219985A1
Application number: DE102017219985.7A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Kusch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichterkomponente (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine, die einen Serienresonanzkreis und ein mehrfachgenutztes leistungselektronisches Bauteil (T2, T3) aufweist, das wahlweise entweder zur Funktionalität eines Antriebsumrichters beiträgt oder zur Funktionalität einer Batterieladeeinheit beiträgt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Halbleitermodul (5a) für eine solche Stromrichterkomponente.

Description

Die Erfindung betrifft auf dem Gebiet der leistungselektronischen Komponenten eine Stromrichterkomponente für das Steuern des Leistungsflusses in einem Kraftfahrzeug sowie ein Halbleitermodul einer solchen Stromrichterkomponente.
Heutige Kraftfahrzeuge mit einer elektrischen Antriebsmaschine weisen einen Antriebsumrichter und eine Ladeelektronik auf, die als separate Schaltkreise gestaltet sind. Die Ladeelektronik umfasst beispielsweise eine H-Brücke mit Leistungsschaltern, einen Resonanzkreis und einen Gleichrichter. Typische Schaltungsanordnungen eines Antriebsumrichters sind in der DE 10 2015 203 008 A1 und der EP 3 157 154 A1 beschrieben.
Im Rahmen der Kosten-, Platz- und Gewichtsersparnis werden neuerdings Wege gesucht, einzelne Schaltungselemente mehrfach zu nutzen. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2012 202 764 A1 ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, das einen Motor, einen Antriebsumrichter und einen Energiespeicher aufweist, wobei der Antriebsumrichter bei festgestelltem Motor und bei Anschluss an ein Niederspannungsnetz als Ladevorrichtung genutzt wird. Auch die EP 2 364 872 B1 beschreibt eine Ladeeinheit, die einerseits zum Laden, andererseits zum Betreiben zweier Elektromotoren ausgebildet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromrichterkomponente für ein Kraftfahrzeug und ein Halbleitermodul für eine solche Stromrichterkomponente bereitzustellen, die eine Mehrfachnutzung von Schaltungselementen noch intensiver als die bisher bekannten leistungselektronischen Konzepte ausnutzen.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Stromrichterkomponente nach Anspruch 1 und das erfindungsgemäße Halbleitermodul nach Anspruch 9 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichterkomponente für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine, beispielsweise für ein Plug-in-Hybrid-Fahrzeug (PHEV), ein Batterie-Elektrofahrzeug (BEV), ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) oder ein anderes Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor. Die elektrische Antriebsmaschine kann ein herkömmlicher Elektromotor sein, der insbesondere pro Phase genau eine Wicklung aufweist.
Die erfindungsgemäße Stromrichterkomponente, die auch als Fahrtumrichter oder Antriebsumrichter bezeichnet werden kann, weist einen Serienresonanzkreis und mindestens ein mehrfachgenutztes leistungselektronisches Bauteil auf, das wahlweise entweder zur Funktionalität eines Antriebsumrichters (Antriebsumrichter-Funktionalität) beiträgt oder zur Funktionalität einer Batterieladeeinheit (Batterielade-Funktionalität) beiträgt. Vorzugsweise weist die Stromrichterkomponente mehrere mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteile auf, die gemeinsam wahlweise entweder zur Funktionalität eines Antriebsumrichters oder zur Funktionalität einer Batterieladeeinheit beitragen. Der Serienresonanzkreis, der eine Spule, einen Kondensator und einen Transformator aufweisen kann, kann insbesondere so mit dem mindestens einen mehrfachgenutzten leistungselektronischen Bauteil verbunden sein, dass dieses zusammen mit dem Serienresonanzkreis zur Batterielade-Funktionalität beiträgt.
Auf diese Weise kann ein verlustarmer Antriebsumrichter für höhere Spannungslagen realisiert werden, der eine integrierte Ladeeinheit für eine Batterie des Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eine Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie) zum Betreiben der elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs, aufweist.
Damit sind leistungselektronische Bauteile, insbesondere Leistungsschalter, zum Laden der Batterie vorzugsweise nicht mehr als separate Komponenten vorhanden, sondern von vorhandenen Bauteilen, insbesondere Transistoren wie IGBTs und/oder MOSFETs und Dioden, eines herkömmlichen Fahrumrichters bereitgestellt. Dadurch können typischerweise zum Laden eingesetzte Komponenten einer externen Batterieladeeinheit, wie eine H-Brücke, ein Brückengleichrichter, Kondensatoren, Kühlelemente, eine zugehörige Ansteuerung und/oder ein zugehöriger Gatetreiber eingespart werden. Neben den Leistungsschaltern (IGBTs oder MOSFETS) können auch Sensoren, Kühlelemente, Ansteuerung, passive Komponenten, Kupferschienen und Steckverbinder mehrfach genutzt werden und deren Gesamtanzahl so verringert werden. Einsparpotential ergibt sich somit auch bei den passiven Komponenten, Kühlkörpern, Verschienung/Verdrahtung und der Sensorik gegenüber der herkömmlichen Umsetzung in einzelnen Komponenten.
Die Stromrichterkomponente kann als eine 2-Level-, 3-Level- oder Mehr-Level-Stromrichterkomponente ausgebildet sein und so gesteuert werden, dass ein 2-Level-, 3-Levelder Mehr-Level-Antriebsumrichter-Betrieb realisiert werden kann. Ein 3-Level- oder Mehr-Level Stromrichter macht ein zusätzliches Spannungslevel zugänglich, mit Hilfe dessen eine Verringerung einer Belastung, eines Gleichtaktstroms sowie von Verlusten der Stromrichterkomponente erreicht werden kann.
In manchen Ausführungsbeispielen kann das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil einen ersten Leistungsschalter und/oder einen zweiten Leistungsschalter einer antiseriellen Schaltung zweier Leistungsschalter umfassen. Der erste Leistungsschalter bzw. der zweite Leistungsschalter können bei geeigneter Verschaltung die Funktion eines Leistungsschalters einer H-Brücke aus Leistungsschaltern übernehmen. Insbesondere können der erste Leistungsschalter und der zweite Leistungsschalter die Funktion jeweils eines Leistungsschalters unterschiedlicher Halbbrücken der H-Brücke aus Leistungsschaltern übernehmen. Dadurch kann zumindest auf einige Leistungsschalter zum Realisieren der Batterieladefunktion verzichtet werden. Der erste und/oder der zweite Leistungsschalter kann ein Transistor, beispielsweise ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, engl. insulated-gate bipolar transistor), insbesondere ein Si-IGBT, oder ein IGFET (Isolierschicht-Feldeffekttransistor, engl. insulated-gate field-effect transistor), insbesondere ein Wide-Bandgap-Halbleiter wie ein SiC-MOSFET, sein.
In manchen Ausführungsbeispielen können der erste Leistungsschalter und der zweite Leistungsschalter der antiseriellen Schaltung in einem Halbleitermodul auf Basis des T-NPC Designs (engl. T-Type Neutral Point Clamped Designs) integriert sein, bei dem ein erster zusätzlicher Modulabgriff, der mit dem zweiten Leistungsschalter der antiseriellen Schaltung verbunden ist, und/oder ein zweiter zusätzlicher Modulabgriff, der zwischen dem ersten Leistungsschalter und dem zweiten Leistungsschalter der antiseriellen Schaltung mit diesen verbunden ist, vorgesehen sind. Der erste zusätzliche Modulabgriff und der zweite zusätzliche Modulabgriff können mit weiteren Komponenten verbunden werden, die zur Lade-Funktionalität beitragen, beispielsweise mit dem Serienresonanzkreis und/oder einer externen Spannungsquelle. Vorzugsweise können der erste zusätzliche Modulabgriff und der zweite zusätzliche Modulabgriff wechselweise mit dem Serienresonanzkreis und der externen Spannungsquelle verbunden sein.
In manchen Ausführungsbeispielen können der erste Leistungsschalter und/oder der zweite Leistungsschalter wahlweise zu einer Mehr-Level-Antriebsumrichter-Funktionalität, insbesondere einer 3-Level-Antriebsumrichter-Funktionalität, oder zu der Funktionalität einer Batterieladeeinheit beitragen.
In manchen Ausführungsbeispielen können der erste Leistungsschalter und/oder der zweite Leistungsschalter, während er zur Funktionalität einer Batterieladeeinheit beiträgt, die Funktion eines Leistungsschalters einer H-Brücke aus Leistungsschaltern übernehmen. Entweder kann der erste oder der zweite Leistungsschalter die Funktion eines Leistungsschalters der H-Brücke übernehmen oder jeder des ersten und des zweiten Leistungsschalters kann die Funktion je eines Leistungsschalters unterschiedlicher Halbbrücken der H-Brücke übernehmen.
In manchen Ausführungsbeispielen kann das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil mit einem steuerbaren Schütz oder einem Halbleiterschalter mit geringen Leitungsverlusten gekoppelt sein, der je nach Ansteuerung das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil entweder in der Antriebsumrichter-Funktionalität oder in der Funktionalität einer Batterieladeeinheit betreibt. So kann schnell zwischen der Antriebsumrichter-Funktionalität und der Batterielade-Funktionalität gewechselt werden. Die Ausnutzung der leistungselektronischen Komponenten kann durch die schaltbare Umkonfiguration und ein zentralisiertes Energiemanagement gesteigert werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Stromrichterkomponente ferner wenigstens zwei serielle Leistungsschalter aufweisen, die wahlweise zu einer Mehr-Level-Antriebsumrichter-Funktionalität oder zu einer Batterielade-Funktionalität beitragen. Ist beispielsweise das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil, z.B. der erste oder der zweite Leistungsschalter der antiseriellen Schaltung in der Antriebsumrichter-Funktionalität, wirkt das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil mit den beiden seriellen Leistungsschaltern zusammen, um eine 3-Level-Umrichtung bereitzustellen. Ist dagegen das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil in der Batterielade-Funktionalität, dann übernehmen die zwei seriellen Leistungsschalter, die mit antiparallelen Dioden verschaltet sind, die Funktion zweier Dioden eines Gleichrichters. Die zwei seriellen Leistungsschalter tragen also zu einer Funktionalität eines Gleichrichters bei. Die Stromrichterkomponente stellt also beispielsweise einen vollintegrierten 3-Level Antriebsumrichter für höhere Spannungslagen dar, dessen Halbleiter als Batterie-Ladeeinheit für hohe Leistungen nutzbar sind. Die seriellen Leistungsschalter können je ein Transistor sein, vorzugsweise ein IGFET, insbesondere ein Wide-Bandgap-Halbleiter wie ein SiC-MOSFET. Wide-Bandgap-Halbleiter zeichnen sich durch eine hohe Schaltfrequenz aus. Alternativ können die Leistungsschalter auch je ein IGBT, insbesondere ein Si-IGBT, sein.
In manchen Ausführungsbeispielen können die zwei seriellen Leistungsschalter mit einem steuerbaren Schütz oder einem Halbleiterschalter mit geringen Leitungsverlusten gekoppelt sein, der je nach Ansteuerung die zwei seriellen Leistungsschalter entweder in der Funktionalität eines Antriebsumrichters oder in der Funktionalität eines Gleichrichters betreibt. Vorzugsweise verbindet der steuerbare Schütz einen Modulabgriff zwischen den seriellen Leistungsschalter wahlweise mit der elektrischen Antriebsmaschine, dass die beiden seriellen Leistungsschalter in der Antriebsumrichters-Funktionalität arbeiten, oder mit dem Serienresonanzkreis oder der Spannungsquelle, dass die beiden seriellen Leistungsschalter in der Batterielade-Funktionalität arbeiten. Auf diese Weise kann leicht eine Umschaltung zwischen der Batterielade-Funktionalität und der Antriebsumrichter-Funktionalität erfolgen.
Die beiden seriellen Leistungsschalter können in das Halbleitermodul integriert sein, das die antiseriellen Leistungsschalter, den ersten zusätzlichen Modulabgriff und den zweiten zusätzlichen Modulabgriff umfasst. Vorzugsweise kann das Halbleitermodul die beiden antiseriellen Leistungsschalter und die beiden seriellen Leistungsschalter umfassen, wobei der zweite Leistungsschalter der beiden antiseriellen Leistungsschalter mit dem ersten zusätzlichen Modulabgriff des Halbleitermoduls verbunden ist und der erste Leistungsschalter der beiden antiseriellen Leistungsschalter mit einem Mittenabgriff des Halbleitermoduls verbunden ist. Der zweite zusätzliche Modulabgriff kann mit weiteren Komponenten verbunden werden, die zur Lade-Funktionalität beitragen, beispielsweise dem Serienresonanzkreis und/oder einer Spannungsquelle.
Die antiseriellen Leistungsschalter und die seriellen Leistungsschalter können Halbleiter sein, beispielsweise Si-IGBTs oder Wide-Bandgap Halbleiter wie SiC-MOSFETs. Vorzugsweise können die seriellen Leistungsschalter Wide-Bandgap Halbleiter sein, beispielsweise SiC-MOSFETs, während die antiseriellen Leistungsschalter Si-IGBTs oder auch Wide-Bandgap Halbleiter sein können. Wide-Bandgap Halbleiter lassen eine signifikant höhere Schaltfrequenz als Si-IGBTs zu und verringern Verluste. Insbesondere durch eine höhere mögliche Schaltfrequenz der seriellen Leistungsschalter können magnetische Komponenten, die die Lade-Funktionalität ermöglichen, beispielsweise der Serienresonanzkreis, kleiner dimensioniert werden, wodurch Kosten und Platz eingespart werden kann.
Vorzugsweise weist die Stromrichterkomponente neben dem Serienresonanzkreis drei Halbleitermodule auf, wie sie oben beschrieben wurden. Die Stromrichterkomponente kann folglich genau 12 Leistungsschalter umfassen. Jedes der Halbleitermodule kann auf eine eigene Weise verschaltet sein. Beispielsweise kann ein erstes Halbleitermodul so verschaltet sein, dass nur der zweite Leistungsschalter der antiseriellen Schaltung zur Batterielade-Funktionalität beiträgt, ein zweites Halbleitermodul so, dass der zweite Leistungsschalter der antiseriellen Schaltung und die seriellen Leistungsschalter mit antiparallelen Dioden zur Batterielade-Funktionalität beitragen, und ein drittes Halbleitermodul so, dass der erste Leistungsschalter und der zweite Leistungsschalter der antiseriellen Schaltung und die seriellen Leistungsschalter mit antiparallelen Dioden zur Batterielade-Funktionalität beitragen. Vorzugsweise können alle leistungselektronischen Bauteile einer Batterieladeeinheit, die typischerweise eine H-Brücke aus Leistungsschaltern und einen Gleichrichter umfasst, durch leistungselektronische Bauteile des Stromrichters, die während des Betriebs der elektrischen Maschine zur Funktionalität des Antriebsumrichters beitragen, realisiert sein. Die leistungselektronischen Module sind vom Package identisch oder sehr ähnlich, so dass ein Änderungsaufwand beim Design gering ist gegenüber bekannten Lösungen.
Die Stromrichterkomponente kann von einer Steuereinheit so angesteuert werden, dass sie bei Anforderung der Batterielade-Funktionalität zur Batterielade-Funktionalität beiträgt und bei Fehlen einer Anforderung der Batterielade-Funktionalität zur Antriebsumrichter-Funktionalität beiträgt. Folglich erfolgt die Ansteuerung für Antrieb und Lademodul durch eine gemeinsame Steuereinheit. Treiber, Verbinder, Sensoren und Software können für beide Funktionen (Laden/Fahren) verwendet werden. In der Regelung ist eine Variation der Schaltfrequenz realisiert, die zum Beispiel abhängig von der Ausgangsleistung einstellt wird. Dadurch lässt sich durch die Betriebsstrategie steuern, zu welcher Ausprägung zwischen einem wirkungsgradoptimalen, batterieschonenden und ladezeitoptimiertem Betrieb verfahren wird.
In der Stromrichterkomponente kann eine galvanische Trennung vorgesehen sein. Diese kann sowohl beim AC-Laden als auch beim DC-Laden vorgesehen sein. Die Stromrichterkomponente kann für eine Zwischenkreisspannung von 400V oder 800V ausgelegt sein.
Das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil kann zur Lade-Funktionalität beitragen, auch wenn die elektrische Antriebsmaschine nicht festgebremst ist. Insbesondere wirken die einzelnen Komponenten der elektrischen Antriebsmaschine nicht mit der Stromrichterkomponente zusammen, um die Antriebsumrichter-Funktionalität bzw. die Lade-Funktionalität zu bewirken.
Zusammenfassend kann die Stromrichterkomponente ein modifizierter T-NPC 3-Level Antriebsumrichter für 400/450V und 800/850V Zwischenkreisspannung mit Umschalteinheit zur Nutzung der Leistungselektronik für das Laden sein. Es ist ein hocheffizienter Fahrumrichter realisiert, mit einem geeigneten Modulationsverfahren in einer robusten Topologie. Mit diesem Multi-Level-Fahrumrichter ist eine durch Software gesteuerte lastpunktabhängige Reduzierung von Harmonischen möglich, die zu zusätzlichen Verlusten in Form von Eisen- und Kupferverlusten führen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Halbleitermodul für eine Stromrichterkomponente, das nach dem T-NPC Design mit zwei seriellen Leistungsschaltern und zwei antiseriellen Leistungsschaltern ausgelegt ist, wobei ein erster Leistungsschalter der beiden antiseriellen Leistungsschalter mit einem Mittenabgriff des Halbleitermoduls verbunden ist, wobei ein zweiter Leistungsschalter der beiden antiseriellen Leistungsschalter mit einem ersten zusätzlichen Modulabgriff des Halbleitermoduls verbunden ist und/oder der erste Leistungsschalter und der zweite Leistungsschalter der beiden antiseriellen Leistungsschalter mit einem zweiten zusätzlichen Modulabgriff verbunden ist. Das Halbleitermodul kann wie oben im Detail beschrieben ausgebildet sein. Auf diese Weise kann das Halbleitermodul in zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Das Halbleitermodul arbeitet entweder als konventionelles 3-Level-Modul nach dem T-NPC Design oder in einem Batterielade-Betriebsmodus. Ein Wechsel zwischen den beiden Betriebsweisen kann beispielsweise durch den zweiten zusätzlichen Modulabgriff erzielt werden, der mit dem Mittelpunkt der beiden seriellen Leistungsschalter verschaltet ist, so dass durch Kontaktierung eines externen steuerbaren Schütz an den ersten und den zweiten zusätzlichen Modulabgriff zwischen den beiden Betriebsweisen gewechselt werden kann.
In manchen Ausführungsbeispielen können die seriellen Leistungsschalter und gegebenenfalls auch die antiseriellen Leistungsschalter Wide-Bandgap Halbleiter sein. Bei Verwendung von Wide-Bandgap Halbleitern wie SiC ist ein Vorteil bei den Verlusten zu sehen und ferner mit einer signifikanten Erhöhung der Schaltfrequenz auch eine bauraumreduzierte für die magnetischen Komponenten der Batterieladeeinheit realisierbar. Der Einfluss auf Größe und Gewicht des Serienresonanzkreises ist deutlich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:

1 ein 3-Level-Modul im T-NPC Design;
2 ein Halbleitermodul im modifizierten T-NPC Design mit zwei zusätzlichen Modulabgriffen zeigt; und
3 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsumrichters mit integrierter Batterieladeeinheit zeigt.

1 zeigt ein 3-Level-Modul im T-NPC Design. Das 3-Level-Modul im T-NPC Design umfasst vier Transistoren T1, T2, T3, T4 und vier Dioden D1, D2, D3, D4. Zwei serielle Transistoren T1 und T4 mit antiparallelen Dioden D1 und D4 sind zwischen einem Plus-Anschluss POS und einem Minus-Anschluss NEG eines Zwischenkreises und zwei antiserielle Transistoren T2 und T3 sind mit antiparallelen Dioden D2 und D3 zwischen einem Wechselspannungs-Modulabgriff out, der mit einem Wechselspannungsausgang verbunden werden kann, und einem Mittenabgriff ToutN, der mit einem Zwischenkreismittelpunkt N (Neutralpunkt) verbunden werden kann, geschaltet. Wie es von 3-Level-Modulen im T-NPC Design bekannt ist, weist das Halbleitermodul für die Ansteuerung der Transistoren weitere (Niedervolt-) Abgriffe auf, die in 1 nicht gezeigt sind.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul im modifizierten T-NPC Design mit zwei zusätzlichen Modulabgriffen. Das 3-Level-Modul im modifizierten T-NPC Design umfasst, ähnlich wie auch das oben beschriebene Halbleitermodul der 1, vier Transistoren T1, T2, T3, T4 und vier Dioden D1, D2, D3, D4. Zwei serielle Transistoren T1 und T4 ausgebildet sind, mit antiparallelen Dioden D1 und D4 sind zwischen den Plus-Anschluss POS und den Minus-Anschluss NEG des Zwischenkreises geschaltet, wobei die seriellen Transistoren T1, T4 als SiC-MOSFETs ausgebildet sind. Zwei antiserielle Transistoren T2 und T3 mit antiparallelen Dioden D2, D3 sind zwischen dem Mittenabgriff ToutN, der mit dem Zwischenkreismittelpunkt N (Neutralpunkt) verbunden werden kann, und einem ersten zusätzlichen Modulabgriff Tout1 geschaltet, wobei ein erster Transistor T2 der beiden antiseriellen Transistoren direkt mit dem Mittenabgriff ToutN verbunden ist und ein zweiter Transistor T3 der beiden antiseriellen Transistoren direkt mit dem ersten zusätzlichen Modulabgriff Tout1 verbunden ist. Die beiden antiseriellen Transistoren sind dabei als Si-IGBTs ausgebildet. Das Halbleitermodul weist ferner einen zweiten zusätzlichen Modulabgriff Tout2 auf, der modul-intern mit dem Wechselspannungs-Modulabgriff out des Halbleitermoduls verbunden ist. Weiterhin weist das Halbleitermodul einen dritten zusätzlichen Modulabgriff Tout3 auf, der zwischen den beiden antiseriellen Transistoren T2, T3 geschaltet ist.
Wird der erste zusätzliche Modulabgriff Tout1 mit dem Modulabgriff Tout2 verbunden (beispielsweise mittels eines modul-externen steuerbaren Schütz, wie dies in 3 gezeigt ist), so werden die beiden antiseriellen Transistoren T2 und T3 zwischen den Wechselspannungs-Modulabgriff out und den Mittenabgriff ToutN geschaltet. In dieser Betriebsweise arbeitet das Halbleitermodul der 2 wie ein herkömmliches 3-Level-Modul im T-NPC Design. Wird der zusätzliche Modulabgriff Tout1 nicht mit dem Modulabgriff Tout2 verbunden, so arbeitet das 3-Level-Modul der 2 in einem Batterieladebetrieb. Dabei ist das 3-Level-Modul, wie weiter unten mit Bezug auf 3 ausgeführt, über den ersten Modulabgriff Tout1 und den dritten Modulabgriff Tout3 mit einem Serienresonanzkreis und einer Energiequelle verbunden. Wie es von 3-Level-Modulen im T-NPC Design bekannt ist, weist das Halbleitermodul für die Ansteuerung der Transistoren weitere Abgriffe auf, die in 2 nicht gezeigt sind.
Das Halbleitermodul kann, wie es von 3-Level-IGBT-Modulen im herkömmlichen T-NPC bekannt ist, beispielsweise als HVIC (High Voltage Integrated Circuit) in SOI-Technologie (Silicon on Insulator) oder dergleichen ausgebildet sein. Das Halbleitermodul dieses Ausführungsbeispiels umfasst die gleiche Anzahl Halbleiterbauelemente wie das Halbleitermodul im T-NPC-Design der 1 und kann bezüglich Thermomanagement auf aktueller Technologie aufsetzen.
In dem Halbleitermodul der 2 sind im Hinblick auf die leichtere Kontaktierbarkeit des Moduls drei zusätzliche Modulausgänge Tout1, Tout2 und Tout3 vorgesehen. Da der Modulausgang Tout2 elektrisch mit dem Wechselspannungs-Modulabgriff out verbunden ist, kann auf den Modulausgang Tout2 in einer alternativen Ausführungsform allerdings auch verzichtet werden. Ein steuerbarer Schütz, der zwischen dem 3-Level-Betrieb und dem Batterieladebetrieb des Halbleitermoduls wechselt, könnte in diesem Fall direkt an den Modulabgriffen Tout1 und out angeschlossen werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsumrichters 1 mit integrierter Batterielade-Funktionalität zum Laden einer Hochvoltbatterie 3 zum Versorgen eines Elektromotors 2 eines Kraftfahrzeugs. Der Antriebsumrichter 1 wandelt als Antriebsumrichter die Spannung der Hochvoltbatterie 3 in eine Wechselspannung und versorgt damit den Elektromotor 2. Der Antriebsumrichter 1 ist als ein 3-Level Umrichter ausgelegt und umfasst neben einem Kondensator C_dc drei Halbleitermodule 4a, 4b, 4c, die als Halbbrücken konzipiert sind. Die drei Halbleitermodule 4a, 4b, 4c sind jeweils nach dem modifizierten T-NPC Design ausgelegt, wie es in 2 genauer beschrieben ist. Zusätzlich umfasst der Antriebsumrichter 1 einen Serienresonanzkreis 5, der eine Spule L_s , einen Kondensator C_s und einen Transformator T_s umfasst. Der Serienresonanzkreis 5 ermöglicht es, dass die Transistoren und Dioden der Halbleitermodule 4a, 4b, 4c als Batterieladeeinheit, insbesondere als Leistungsschalter einer H-Brücke mit Leistungsschaltern und als Dioden eines Gleichrichters betrieben werden können.
Der erste und der zweite zusätzliche Modulabgriff (Tout1, Tout2 in 2) des ersten Halbleitermoduls 4a verbinden das erste Halbleitermodul 4a mit einem steuerbaren Schütz 6a. In einer ersten Stellung des steuerbaren Schütz 6a sind die antiseriellen Transistoren T2, T3 des ersten Halbleitermoduls 4a auf herkömmliche Weise mit dem Wechselspannungs-Modulabgriff (out in 2) des Halbleitermoduls 4a verbunden. Das Halbleitermodul 4a wirkt wie ein herkömmliches T-NPC Modul im 3-Level-Betrieb zusammen mit dem Kondensator C_dc als Antriebsumrichter. In einer zweiten Stellung des steuerbaren Schütz 6a ist die elektrische Verbindung zwischen den antiseriellen Transistoren T2, T3 und dem Wechselspannungs-Modulabgriff unterbrochen. Stattdessen sind die Transistoren T2, T3 über den ersten zusätzlichen Modulabgriff (Tout1 in 2) mit einer externen Spannungsquelle 7, wie beispielsweise einem Stromnetz, und über den dritten zusätzlichen Modulabgriff (Tout3 in 2) mit dem Serienresonanzkreis 5 verbunden. In dieser Stellung des steuerbaren Schütz 6a übernimmt somit der zweite Transistor T3 der beiden antiseriellen Transistoren die Funktion eines Leistungsschalters einer H-Brücke einer herkömmlichen separaten Batterieladeeinheit und trägt zusammen mit dem Serienresonanzkreis 5 zur Batterielade-Funktion bei.
Auf analoge Weise verbinden der erste und der zweite zusätzliche Modulabgriff (Tout1, Tout2 in 2) eines zweiten Halbleitermoduls 4b das zweite Halbleitermodul 4b mit einem steuerbaren Schütz 6b. In einer ersten Stellung des steuerbaren Schütz 6b sind die antiseriellen Transistoren T2, T3 des zweiten Halbleitermoduls 4b auf herkömmliche Weise mit dem Wechselspannungs-Modulabgriff des Halbleitermoduls 4b verbunden und wirken als Antriebsumrichter. In einer zweiten Stellung des steuerbaren Schütz 6b ist die elektrische Verbindung zwischen den antiseriellen Transistoren T2, T3 und dem Wechselspannungs-Modulabgriff (out in 2) unterbrochen. Stattdessen sind die antiparallelen Transistoren T2 , T3 über den ersten zusätzlichen Modulabgriff (Tout1 in 2) mit einer externen Spannungsquelle 7 und über den dritten zusätzlichen Modulabgriff (Tout3 in 2) mit dem Serienresonanzkreis 5 verbunden. In diesem Betriebsmodus übernimmt somit auch der zweite Transistor T3 des zweiten Halbleitermoduls 4b die Funktion eines Leistungsschalters einer H-Brücke einer herkömmlichen separaten Batterieladeeinheit und trägt zusammen mit dem Resonanzkreis 5 zur Batterielade-Funktion bei. Gleichzeitig ist ein steuerbarer Schütz 8b an dem Wechselspannungs-Modulabgriff so gestellt, dass der Wechselspannungs-Modulabgriff mit dem Resonanzkreis verbunden ist und nicht, wie in der ersten Stellung des steuerbaren Schütz 8b, mit dem Elektromotor 2. In diesem Betriebsmodus übernehmen die seriellen Transistoren T1, T4 mit den antiparallelen Dioden D1, D4 des zweiten Halbleitermoduls 4b die Funktion zweier Dioden eines Gleichrichters einer herkömmlichen separaten Batterieladeeinheit und tragen zusammen mit dem Resonanzkreis 5 zur Batterielade-Funktion bei.
Auf analoge Weise verbinden auch der erste und der zweite zusätzliche Modulabgriff (Tout1, Tout2 in 2) eines dritten Halbleitermoduls 4c das dritte Halbleitermodul 4c mit einem steuerbaren Schütz 6c. In einer ersten Stellung des steuerbaren Schütz 6c sind die antiseriellen Transistoren T2, T3 des dritten Halbleitermoduls 4c auf herkömmliche Weise mit dem Wechselspannungs-Modulabgriff (out in 2) des dritten Halbleitermoduls 4c verbunden und wirken als Antriebsumrichter. In einer zweiten Stellung des steuerbaren Schütz 6c ist die elektrische Verbindung zwischen den antiseriellen Transistoren T2, T3 und dem Wechselspannungs-Modulabgriff (out in 2) unterbrochen. Stattdessen sind die Transistoren T2 , T3 über den Modulabgriff (Tout1 in 2) mit dem Serienresonanzkreis 5 und über den Modulabgriff (Tout3 in 2) mit der Spannungsquelle 7 verbunden. Weiterhin ist ein steuerbarer Schütz 9 an dem Mittenabgriff (ToutN in 2) so gestellt, dass der Mittenabgriff mit dem Resonanzkreis 5 verbunden ist. In diesem Betriebsmodus übernehmen somit der erste Transistor T2 und der zweite Transistor T3 des dritten Halbleitermoduls 4c die Funktion zweier Leistungsschalter einer H-Brücke einer herkömmlichen separaten Batterieladeeinheit und tragen zusammen mit dem Resonanzkreis 5 zur Batterielade-Funktion bei. Gleichzeitig ist ein steuerbarer Schütz 8c an dem Wechselspannungs-Modulabgriff (out in 2) so gestellt, dass der Wechselspannungs-Modulabgriff mit dem Resonanzkreis 5 verbunden ist und nicht, wie in der ersten Stellung des steuerbaren Schütz 6b, mit dem Elektromotor 2. In diesem Betriebsmodus übernehmen die seriellen Transistoren T1, T4 mit den antiparallelen Dioden D1, D4 des dritten Halbleitermoduls 4c die Funktion zweier Dioden eines Gleichrichters einer herkömmlichen separaten Batterieladeeinheit und tragen zusammen mit dem Resonanzkreis 5 zur Batterielade-Funktion bei.
Dadurch kann der Antriebsumrichter 1 in der ersten Stellung der steuerbaren Schütze 6a, 6b, 6c, 8b, 8c, 9 in einem Betriebsmodus „Antriebsumrichter“ betrieben werden, bei dem die Halbleitermodule 4a, 4b und 4c auf herkömmliche Weise als 3-Level-Module nach dem T-NPC Design zur Wandlung der Gleichspannung der Hochvoltbatterie 3 dienen, um den Elektromotor 2 zu betreiben. In der zweiten Stellung der steuerbaren Schütze 6a, 6b, 6c, 8b, 8c, 9 wird der Antriebsumrichter 1 in einem Betriebsmodus „Batterieladen“ betrieben. In diesem Betriebsmodus dienen die Halbleitermodule 4a, 4b, 4c zusammen mit dem Serienresonanzkreis als Batterieladeeinheit zum Laden der Hochvoltbatterie 3. Dabei sind alle Komponenten einer H-Brücke mit Leistungsschaltern und eines Gleichrichters einer herkömmlichen separaten Batterieladeeinheit durch die Komponenten des Antriebsumrichters 1 verwirklicht und der Antriebsumrichter 1 ist gegenüber einem herkömmlichen Antriebsumrichter lediglich um den Serienresonanzkreis ergänzt.
Unter Verwendung von SiC-Halbleitern kann eine signifikante Erhöhung der Schaltfrequenz realisiert werden. Dies hat einen starken Einfluss auf Größe und Gewicht der Komponenten des Serienresonanzkreises. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Halbbrückenzweig (T1 und T4 in 2) mit 1200V SiC-Halbleitern und die antiparallelen Halbleiter mit 600V Si- Halbleitern ausgeführt. Der erfindungsgemäße Antriebsumrichter kann mit beliebigen Spannungslagen arbeiten. Auf Seiten der Hochvoltbatterie 3 kann es sich beispielsweise um ein 400V / 800V System handeln.
Die Ansteuerung der Transistoren beim Wechsel vom 3-Level-Antriebsumrichterbetrieb in den Batterieladebetrieb kann hart erfolgen, indem direkt von einer dem Fachmann bekannten 3-Level-Ansteuerung auf eine Batterielade-Ansteuerung umgeschaltet wird.
Durch Verwendung des Moduldesigns der 2 lassen sich die Vorteile des 3-Level-Umrichters bezüglich niedriger harmonischer Verluste im E-Antrieb, Verteilung und Minimierung der Schaltverluste und geringem dU/dt für den überwiegenden Betrieb ausnutzen. Ein hocheffizienter Fahrumrichter ist damit realisiert, der auf der heutigen Si-Silizium und SiC-Siliziumkarbid Technologie basiert. Hinsichtlich der Fehlertoleranz ist diese Topologie gegenüber der des klassischen Dreipunk-Umrichters von Vorteil, da keine spezielle Abschaltprozedur erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

1: Stromrichter
2: Elektromotor
3: Hochvoltbatterie
4a, 4b, 4c: Halbleitermodul
5: Serienresonanzkreis
6a, 6b, 6c: steuerbarer Schütz
7: externe Spannungsquelle
7a, 7b: Ladeanschlüsse
8b, 8c: steuerbarer Schütz
9: steuerbarer Schütz
T1, T2, T3,T4: Transistoren
D1, D2, D3, D4: Dioden
C_dc: Kondensator
N: Neutralpunkt
L_s: Spule
C_s: Kondensator
T_s: Transformator
POS, NEG, out, Tout1, Tout2, Tout3, ToutN: Modulabgriffe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015203008 A1 [0002]
EP 3157154 A1 [0002]
DE 102012202764 A1 [0003]
EP 2364872 B1 [0003]

Claims

Stromrichterkomponente (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine, wobei die Stromrichterkomponente einen Serienresonanzkreis und ein mehrfachgenutztes leistungselektronisches Bauteil (T2, T3) aufweist, das wahlweise entweder zur Funktionalität eines Antriebsumrichters beiträgt oder zur Funktionalität einer Batterieladeeinheit beiträgt.
Stromrichterkomponente (1) nach Anspruch 1, wobei das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil einen ersten Leistungsschalter (T2) und/oder einen zweiten Leistungsschalter (T3) einer antiseriellen Schaltung zweier Leistungsschalter umfasst.
Stromrichterkomponente (1) nach Anspruch 2, wobei der erste Leistungsschalter (T2) und der zweite Leistungsschalter (T3) in einem Halbleitermodul (4a) auf Basis des T-NPC Designs integriert sind, bei dem ein erster zusätzlicher Modulabgriff (Tout1), der mit dem zweiten Leistungsschalter (T3) verbunden ist, und/oder ein zweiter zusätzlicher Modulabgriff (Tout3), der zwischen dem ersten Leistungsschalter(T2) und dem zweiten Leistungsschalter (T3) der antiseriellen Schaltung mit diesen verbunden ist, vorgesehen sind.
Stromrichterkomponente (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Leistungsschalter (T3) und/oder der zweite Leistungsschalter (T3) wahlweise zu einer Mehr-Level-Antriebsumrichter-Funktionalität oder zu der Funktionalität einer Batterieladeeinheit beiträgt.
Stromrichterkomponente (1) nach Anspruch 4, wobei der erste Leistungsschalter (T2) und/oder der zweite Leistungsschalter (T3), während er zur Funktionalität einer Batterieladeeinheit beiträgt, die Funktion eines Leistungsschalters einer H-Brücke aus Leistungsschaltern übernimmt.
Stromrichterkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil (T2, T3) mit einem steuerbaren Schütz (6a) gekoppelt ist, der je nach Ansteuerung das mehrfachgenutzte leistungselektronische Bauteil (T2, T3) entweder in der Antriebsumrichter-Funktionalität oder in der Funktionalität einer Batterieladeeinheit betreibt.
Stromrichterkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner wenigstens zwei serielle Leistungsschalter (T1, T4) aufweist, die wahlweise zu einer Mehr-Level-Antriebsumrichter-Funktionalität oder zu einer Funktionalität eines Gleichrichters beiträgt.
Stromrichterkomponente (1) nach Anspruch 7, wobei die zwei seriellen Leistungsschalter (T1, T4) mit einem steuerbaren Schütz (8b) gekoppelt sind, der je nach Ansteuerung die zwei seriellen Leistungsschalter (T1, T4) entweder in der Funktionalität eines Antriebsumrichters oder in der Funktionalität eines Gleichrichters betreibt.
Halbleitermodul für eine Stromrichterkomponente, wobei das Halbleitermodul nach dem T-NPC Design mit zwei seriellen Leistungsschaltern (T1, T4) und zwei antiseriellen Leistungsschaltern (T2, T3) ausgelegt ist, wobei ein erster Leistungsschalter (T2) der beiden antiseriellen Leistungsschalter (T2, T3) mit einem Mittenabgriff (ToutN) des Halbleitermoduls verbunden ist, wobei ein zweiter Leistungsschalter (T3) der beiden antiseriellen Leistungsschalter (T2, T3) mit einem ersten zusätzlichen Modulabgriff (Tout1) des Halbleitermoduls verbunden ist und/oder der erste Leistungsschalter (T2) und der zweite Leistungsschalter (T3) der beiden antiseriellen Leistungsschalter (T2, T3) mit einem zweiten zusätzlichen Modulabgriff (Tout3) verbunden ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 9, wobei die seriellen Leistungsschalter (T1, T4) Wide-Bandgap Leistungsschalter sind.