DE102018222727A1 - Semiconductor module for a converter arrangement, converter arrangement for a vehicle and vehicle with a converter arrangement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul (1) für eine Stromrichteranordnung (10), umfassend einen ersten Modulteil (2), wobei der erste Modulteil (2) nach einem T-NPC Design ausgebildet ist, wobei das Halbleitermodul (1) einen zweiten Modulteil (3) aufweist, und wobei der zweite Modulteil (3) eine Halbbrücke (4) umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Stromrichteranordnung (10) mit mindestens einem solchen Halbleitermodul (1) und ein Fahrzeug (50) mit einer solchen Stromrichteranordnung (10).The invention relates to a semiconductor module (1) for a converter arrangement (10), comprising a first module part (2), the first module part (2) being designed according to a T-NPC design, the semiconductor module (1) having a second module part (3 ), and wherein the second module part (3) comprises a half bridge (4). The invention further relates to a converter arrangement (10) with at least one such semiconductor module (1) and a vehicle (50) with such a converter arrangement (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul für eine Stromrichteranordnung, eine Stromrichteranordnung für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug mit einer Stromrichteranordnung.The invention relates to a semiconductor module for a converter arrangement, a converter arrangement for a vehicle and a vehicle with a converter arrangement.

Stromrichter dienen der Umwandlung eines Stroms von einem Gleichstrom in einen Wechselstrom bzw. eines Wechselstroms in einen Gleichstrom. Auch zur Wandlung von Parametern des Stroms, wie einer Spannung und/oder einer Frequenz, werden Stromrichter eingesetzt. Häufig eingesetzte Varianten des Stromrichters sind Gleichrichter, Wechselrichter, Leistungssteller oder Umrichter.Power converters are used to convert a current from a direct current to an alternating current or an alternating current to a direct current. Power converters are also used to convert parameters of the current, such as a voltage and / or a frequency. Frequently used variants of the converter are rectifiers, inverters, power controllers or converters.

Die Wandlung erfolgt mit Hilfe von Hochleistungshalbleitern, wobei Transistoren oder Thyristoren, insbesondere Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistoren (MOSFETs), Insulated-Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) und Integrated Gate-Commutated Thyristoren (IGCTs), zum Einsatz kommen. Diese Schalttransistoren werden in der Regel binär betrieben und haben deshalb zwei Schaltzustände („an“ oder „aus“). Es kann jedoch auch ein „weiches“ Schalten mit langsam ansteigenden Flanken vorgesehen sein. Ein Stromrichter umfasst in der Regel eine Vielzahl dieser Schalttransistoren. Über das zeitliche Ansteuern der Schaltzustände dieser Schalttransistoren mit Hilfe vorgegebener Pulsmuster erfolgt eine Wandlung der Ströme.The conversion takes place with the help of high-performance semiconductors, with transistors or thyristors, in particular metal oxide semiconductor field-effect transistors (MOSFETs), insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) and integrated gate-commutated thyristors (IGCTs) being used. These switching transistors are usually operated in binary mode and therefore have two switching states ("on" or "off"). However, “soft” switching with slowly rising edges can also be provided. A power converter usually includes a large number of these switching transistors. The currents are converted by timing the switching states of these switching transistors with the aid of predetermined pulse patterns.

Auf dem Gebiet der Elektromobilität werden zunehmend auch Konzepte zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Nutzfahrzeugen entwickelt. Hierbei ist eine zu geringe Energiedichte der verwendeten Energiespeicher jedoch ein Problem. Eine Lösung des Problems stellt das Bereitstellen von elektrischer Energie von außen über ein Oberleitungssystem oder über ein kabelloses, induktiv arbeitendes System dar. Der Energiespeicher kann dann während einer Fahrt geladen werden. Hierbei müssen jedoch große Energiemengen von der Oberleitung bzw. dem induktiven System in das Fahrzeug transportiert werden, was zu entsprechenden Anforderungen bei der Auslegung und Dimensionierung der Bauelemente der verwendeten Stromrichter führt. Ein Problem stellen jedoch Streckenabschnitte dar, an denen keine externe Energieversorgung verfügbar ist.In the field of electromobility, concepts for the electrification of the drive train of commercial vehicles are also increasingly being developed. However, an insufficient energy density of the energy storage used is a problem. One solution to the problem is to provide electrical energy from the outside via a catenary system or via a wireless, inductively operating system. The energy store can then be charged during a journey. However, large amounts of energy have to be transported from the overhead line or the inductive system into the vehicle, which leads to corresponding requirements in the design and dimensioning of the components of the converters used. However, sections of the route where no external power supply is available pose a problem.

Aus der DE 10 2017 203 065 A1 ist eine Stromrichterkomponente für ein Kraftfahrzeug bekannt, wobei die Stromrichterkomponente wenigstens ein mehrfachgenutztes leistungselektronisches Bauteil aufweist, das wahlweise entweder zur Funktionalität eines Antriebsumrichters beiträgt oder zur Funktionalität eines Boost-Converters beiträgt. Die Stromrichterkomponente ist hierbei insbesondere in Form eines Halbleitermoduls im T-NPC RB IGBT Design ausgebildet.From the DE 10 2017 203 065 A1 A converter component for a motor vehicle is known, the converter component having at least one power electronics component that is used multiple times and which either either contributes to the functionality of a drive converter or contributes to the functionality of a boost converter. The converter component is designed in particular in the form of a semiconductor module in the T-NPC RB IGBT design.

Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, ein Halbleitermodul, eine Stromrichteranordnung für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug mit einer solchen Stromrichteranordnung zu schaffen, welche einfach und kompakt aufgebaut sind und bei denen das Laden einer Hochvoltbatterie mittels einer externen Energieversorgung verbessert erfolgen kann.The invention is based on the technical problem of creating a semiconductor module, a converter arrangement for a vehicle and a vehicle with such a converter arrangement, which are simple and compact and in which the charging of a high-voltage battery can be improved by means of an external energy supply.

Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleitermodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The technical problem is solved according to the invention by a semiconductor module with the features of claim 1, a converter arrangement with the features of claim 5 and a vehicle with the features of claim 10. Advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Insbesondere wird ein Halbleitermodul für eine Stromrichteranordnung geschaffen, umfassend einen ersten Modulteil, wobei der erste Modulteil nach einem T-NPC Design ausgebildet ist, und wobei das Halbleitermodul einen zweiten Modulteil aufweist, wobei der zweite Modulteil eine Halbbrücke umfasst.In particular, a semiconductor module for a converter arrangement is created, comprising a first module part, the first module part being designed according to a T-NPC design, and the semiconductor module having a second module part, the second module part comprising a half bridge.

Ferner wird insbesondere eine Stromrichteranordnung für ein Fahrzeug geschaffen, umfassend mindestens ein solches Halbleitermodul.Furthermore, in particular a converter arrangement for a vehicle is created, comprising at least one such semiconductor module.

Weiter wird insbesondere ein Fahrzeug geschaffen, umfassend eine solche Stromrichteranordnung.Furthermore, in particular a vehicle is created, comprising such a converter arrangement.

Es ist einer der Grundgedanken der Erfindung, ein Halbleitermodul zu schaffen, welches einfach und kompakt aufgebaut ist und dennoch in skalierbarer Weise und flexibel in einer Stromrichteranordnung verwendet werden kann. Hierzu werden insbesondere ein erster Modulteil und ein zweiter Modulteil elektrisch voneinander getrennt ausgebildet. Durch eine Trennung in einen ersten und einen zweiten Modulteil kann das Halbleitermodul mit Hilfe einer äußeren Verschaltung der einzelnen Modulteile für eine konkrete Anwendung ausgelegt werden. Insbesondere können durch Verwendung mehrerer Halbleitermodule in Form eines Stapels bzw. Stacks konkrete Stromrichteranordnungen ausgebildet werden. Durch die Trennung der einzelnen Modulteile ist ferner eine Gruppierung von elektronischen Bauteilen (z.B. der Chipdies) der einzelnen Modulteile möglich. Dies ermöglicht es insbesondere, auch unterschiedliche Technologien, wie beispielsweise Si-IGBTs und SiC-MOSFETs, auf einfache Weise miteinander kombinieren zu können. Das Halbleitermodul ist insbesondere kompakt ausgebildet. Hierzu weist das Halbleitermodul insbesondere ein hinsichtlich der Form und der Abmessungen kompaktes Gehäuse mit elektrischen Abgriffen auf, welche von außen kontaktiert bzw. verschaltet werden können. Durch die kompakte Bauweise ist insbesondere ein Stapeln und eine beidseitige Kühlung des Halbleitermoduls möglich.It is one of the basic ideas of the invention to provide a semiconductor module which is simple and compact and yet can be used in a scalable manner and flexibly in a converter arrangement. For this purpose, in particular a first module part and a second module part are designed to be electrically separate from one another. By separating into a first and a second module part, the semiconductor module can be designed for a specific application by means of an external connection of the individual module parts. In particular, concrete converter arrangements can be formed by using a plurality of semiconductor modules in the form of a stack or stack. By separating the individual module parts, it is also possible to group electronic components (eg the chip dies) of the individual module parts. In particular, this makes it possible to combine different technologies, such as Si-IGBTs and SiC-MOSFETs, with one another in a simple manner. The semiconductor module is particularly compact. For this purpose, the semiconductor module has, in particular, a housing which is compact in terms of shape and dimensions and has electrical taps which can be contacted or connected from the outside. Due to the compact design, a Stacking and cooling of the semiconductor module on both sides possible.

Im einfachsten Fall umfasst eine Stromrichteranordnung lediglich ein einziges erfindungsgemäßes Halbleitermodul. Dieses Halbleitermodul kann dann beispielsweise einer einfachen Ansteuerung von zwei elektrischen Maschinen dienen. Jedoch kann eine Stromrichteranordnung auch weitere Halbleitermodule aufweisen.In the simplest case, a converter arrangement comprises only a single semiconductor module according to the invention. This semiconductor module can then be used, for example, for simple control of two electrical machines. However, a converter arrangement can also have further semiconductor modules.

Es kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der erste Modulteil im T-NPC RB Design ausgebildet ist.In one embodiment it can be provided that the first module part is designed in the T-NPC RB design.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Modulteil zwei serielle Schalttransistoren mit jeweils antiparallelen Dioden, und zwei antiparallele Schalttransistoren mit Reverse Blocking-Fähigkeit, und eine Diode umfasst, wobei die seriellen Schalttransistoren mit einem Lowsideabgriff und einem Highsideabgriff und an einem Mittenpunkt mit einem Modulabgriff verbunden sind, wobei die zwei antiparallelen Schalttransistoren mit einem Mittenabgriff und einem Modulabgriff verbunden sind, und wobei die Diode kathodenseitig mit einem Modulabgriff und anodenseitig modulintern mit dem Lowsideabgriff verbunden ist.In one embodiment it is provided that the first module part comprises two serial switching transistors, each with anti-parallel diodes, and two anti-parallel switching transistors with reverse blocking capability, and a diode, the serial switching transistors having a low-side tap and a high-side tap and at a center point with a module tap are connected, the two antiparallel switching transistors being connected to a center tap and a module tap, and the diode being connected to a module tap on the cathode side and to the low side tap internally on the module side.

In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Modulteil im T-NPC Design ausgebildet ist, wobei der erste Modulteil zwei serielle Schalttransistoren mit jeweils antiparallelen Dioden, und zwei serielle gegenpolige Schalttransistoren mit jeweils antiparallelen Dioden, und eine Diode umfasst. Die seriellen Schalttransistoren sind mit einem Lowsideabgriff, einem Highsideabgriff und an einem Mittenpunkt mit einem Modulabgriff verbunden. Die zwei seriellen gegenpoligen Schalttransistoren sind mit einem Mittenabgriff und einem Modulabgriff verbunden. Die Diode ist kathodenseitig mit einem Modulabgriff und anodenseitig modulintern mit dem Lowsideabgriff verbunden.In an alternative embodiment it is provided that the first module part is designed in the T-NPC design, the first module part comprising two serial switching transistors, each with anti-parallel diodes, and two serial opposite-pole switching transistors, each with anti-parallel diodes, and one diode. The serial switching transistors are connected to a low-side tap, a high-side tap and at a center point to a module tap. The two serial opposite-pole switching transistors are connected to a center tap and a module tap. The diode is connected to a module tap on the cathode side and to the lowside tap internally on the module side.

Es kann hierbei vorgesehen sein, das die Schalttransistoren als IGBTs ausgebildet sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Schalttransistoren alternativ hierzu als MOSFETs, insbesondere auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) ausgebildet sind. Eine Verwendung von SiC-MOSFETs ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf die beim Schalten auftretenden Verluste und die Möglichkeit, höhere Schaltfrequenzen zu verwenden. Prinzipiell sind beim Ausbilden der Modulteile auch Kombinationen aus IGBTs und MOSFETs möglich.It can be provided here that the switching transistors are designed as IGBTs. However, it can also be provided that the switching transistors are alternatively designed as MOSFETs, in particular based on silicon carbide (SiC). The use of SiC-MOSFETs is particularly advantageous with regard to the losses that occur during switching and the possibility of using higher switching frequencies. In principle, combinations of IGBTs and MOSFETs are also possible when forming the module parts.

Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Fahrzeug ein zumindest zeitweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug ist, welches eine Hochvoltbatterie aufweist und ferner von außen elektrische Energie über ein Oberleitungssystem und/oder ein kabelloses, induktiv arbeitendes System bereitgestellt bekommt.The vehicle is in particular a motor vehicle, in particular a commercial vehicle. In particular, it is provided that the vehicle is an at least temporarily electrically driven vehicle, which has a high-voltage battery and furthermore receives electrical energy from the outside via an overhead line system and / or a wireless, inductively operating system.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Modulteil nach einem Drei-Level NPC Design ausgebildet ist. Durch die Serienschaltung von Schalttransistoren im Drei-Level NPC Design können insbesondere die Anforderungen an die Nennspannungen einzelner Schalttransistoren reduziert werden. Die Nennspannungen der Schalttransistoren können hierbei insbesondere bei den üblichen 600/650 V verbleiben, auch wenn eine Eingangsspannung erhöht wird. Ferner können thermische Verluste auf eine größere Anzahl von Schalttransistoren verteilt werden, wodurch eine Lebensdauer der Schalttransistoren erhöht werden kann.In one embodiment it is provided that the second module part is designed according to a three-level NPC design. The series connection of switching transistors in the three-level NPC design can in particular reduce the requirements for the nominal voltages of individual switching transistors. The nominal voltages of the switching transistors can remain at the usual 600/650 V, even if an input voltage is increased. Furthermore, thermal losses can be distributed over a larger number of switching transistors, which can increase the service life of the switching transistors.

In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Modulteil vier serielle Schalttransistoren mit jeweils antiparallelen Dioden, und zwei serielle Dioden, welche inneren der seriellen Schalttransistoren antiparallel geschaltet sind, umfasst, wobei die seriellen Schalttransistoren einen Lowsideabgriff, einen Highsideabgriff und an einem Mittenpunkt einen Modulabgriff aufweisen, und wobei die seriellen Dioden an einem Mittenpunkt einen Mittenabgriff aufweisen.In a further embodiment, it is provided that the second module part comprises four serial switching transistors, each with anti-parallel diodes, and two serial diodes, which inner ones of the serial switching transistors are connected anti-parallel, the serial switching transistors having a low-side tap, a high-side tap and a module tap at a center point and wherein the serial diodes have a center tap at a center point.

In einer Ausführungsform der Stromrichteranordnung ist vorgesehen, dass die Stromrichteranordnung drei Halbleitermodule umfasst, wobei die ersten Modulteile derart verschaltet sind, dass diese gemeinsam einen Multilevel-Umrichter zum Antreiben einer elektrischen Maschine ausbilden, und wobei die zweiten Modulteile derart verschaltet sind, dass diese gemeinsam einen Gleichspannungswandler ausbilden. Je eines der drei Halbleitermodule ist hierbei jeweils einer Phase der elektrischen Maschine zugeordnet. Dies ist insbesondere von Vorteil bei einer externen Energieversorgung über ein Oberleitungssystem oder ein kabelloses, induktiv arbeitendes System, denn durch eine solche Verschaltung kann eine eingangsseitig bereitgestellte Gleichspannung mittels des Gleichspannungswandlers auf eine Ladespannung einer Hochvoltbatterie des Fahrzeugs oder eine Betriebsspannung des Multilevel-Umrichters gewandelt werden. Hierzu werden die Schalttransistoren der Halbbrücken der zweiten Modulteile der einzelnen Halbleitermodule entsprechend angesteuert. Stellt ein Oberleitungssystem beispielsweise eine Spannung von 1200 V bereit, so kann der Gleichspannungswandler durch entsprechendes Ansteuern diese auf eine Ladespannung bzw. Betriebsspannung von beispielsweise 800 V bzw. 600 V (nominell) wandeln. Es können prinzipiell auch andere Spannungen vorgesehen sein, auf Eingangsseite beispielsweise 650 V, 800 V, 1200 V, 1700 V oder 3300 V. Auf der Ausgangsseite weisen Hochvoltbatterien üblicherweise Lade- und Betriebsspannungen im Bereich von 400 V oder im Bereich von 800 V auf. Das Ansteuern des Multilevel-Umrichters und des Gleichspannungswandlers kann beispielsweise in an sich bekannter Weise mittels einer Steuerung der Stromrichteranordnung erfolgen. Die Steuerung kann als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.In one embodiment of the converter arrangement, it is provided that the converter arrangement comprises three semiconductor modules, the first module parts being connected in such a way that they jointly form a multilevel converter for driving an electrical machine, and the second module parts being connected in such a way that they jointly combine one Train DC converters. One of the three semiconductor modules is assigned to a phase of the electrical machine. This is particularly advantageous in the case of an external energy supply via a catenary system or a wireless, inductively operating system, because such a connection can be used to convert a DC voltage provided on the input side by means of the DC voltage converter to a charging voltage of a high-voltage battery in the vehicle or an operating voltage of the multilevel converter. For this purpose, the switching transistors of the half bridges of the second module parts of the individual semiconductor modules are controlled accordingly. If, for example, a catenary system provides a voltage of 1200 V, the DC-DC converter can convert it to a charging voltage or operating voltage of, for example, 800 V or 600 V (nominal) by appropriate control. In principle, other voltages can also be provided, for example 650 V, 800 V, 1200 V, 1700 V or 3300 V on the input side, pointing on the output side High-voltage batteries usually have charging and operating voltages in the range of 400 V or in the range of 800 V. The multilevel converter and the DC / DC converter can be activated, for example, in a manner known per se by means of a control of the converter arrangement. The controller can be designed as a combination of hardware and software, for example as program code that is executed on a microcontroller or microprocessor.

In einer weiteren Ausführungsform der Stromrichteranordnung ist vorgesehen, dass die ersten Modulteile derart verschaltet sind, dass diese wahlweise vollständig zu einer Funktionalität des Multilevel-Umrichters beitragen oder teilweise zur Funktionalität eines Boost-Converters und teilweise zur Funktionalität des Multilevel-Umrichters. Befindet sich die Stromrichteranordnung im geteilten Betriebsmodus, so kann eine Hochvoltbatterie des Fahrzeugs bei verringerter Motorleistung zusätzlich mittels des Boost-Converters mit größerer Leistung geladen werden. Insbesondere kann der erste Modulteil je nach ausgewählter Verschaltung in einem 3-Level-Betriebsmodus nach dem T-NPC oder T-NPC RB IGBT Design arbeiten oder in einem 2-Level-Betriebsmodus, wobei die sonst im 3-Level-Betriebsmodus zusätzlich verwendeten Komponenten, insbesondere zwei serielle gegenpolige Schalttransistoren im T-NPC Design bzw. die antiparallelen Schalttransistoren im T-NPC RB IGBT Design, als Teil des Boost-Converters verwendet werden. Der Boost-Converter kann zusätzlich noch weitere Komponenten umfassen wie beispielsweise eine Induktivität. Trotz dieser gesteigerten Funktionalität lässt sich eine besonders kompakte Bauweise der Halbleitermodule erreichen, da elektronische Bauteile der Halbleitermodule für beide Funktionalitäten gemeinsam genutzt werden können. Hierdurch kann eine Komplexität der Halbleitermodule und der Stromrichteranordnung reduziert werden, da insgesamt eine zum Ausbilden der Stromrichteranordnung notwendige Anzahl von elektronischen Bauteilen reduziert werden kann. In a further embodiment of the converter arrangement it is provided that the first module parts are connected in such a way that they either contribute completely to a functionality of the multilevel converter or partly to the functionality of a boost converter and partly to the functionality of the multilevel converter. If the converter arrangement is in the divided operating mode, a high-voltage battery of the vehicle can also be charged with greater power using the boost converter with a reduced engine output. In particular, depending on the selected interconnection, the first module part can work in a 3-level operating mode according to the T-NPC or T-NPC RB IGBT design or in a 2-level operating mode, the components which are also used in the 3-level operating mode , in particular two serial opposite-pole switching transistors in the T-NPC design or the anti-parallel switching transistors in the T-NPC RB IGBT design can be used as part of the boost converter. The boost converter can additionally include further components such as an inductor. Despite this increased functionality, a particularly compact construction of the semiconductor modules can be achieved, since electronic components of the semiconductor modules can be used together for both functionalities. As a result, the complexity of the semiconductor modules and the converter arrangement can be reduced, since overall a number of electronic components required for forming the converter arrangement can be reduced.

In einer weiterbildenden Ausführungsform der Stromrichteranordnung ist vorgesehen, dass die ersten Modulteile jeweils mit einem steuerbaren Schaltmittel gekoppelt sind, wobei die steuerbaren Schaltmittel derart ausgebildet sind, je nach Ansteuerung die ersten Modulteile in die Funktionalität des Multilevel-Umrichters oder in die geteilte Funktionalität des Boost-Converters und des Multilevel-Umrichters zu schalten. Zum Verbinden der ersten Modulteile mit dem steuerbaren Schaltmittel sind entsprechende Modulabgriffe an dem Halbleitermodul vorgesehen. Die Schaltmittel können beispielsweise als steuerbare Schütze ausgebildet sein.In a further embodiment of the converter arrangement, it is provided that the first module parts are each coupled to a controllable switching means, the controllable switching means being designed such that, depending on the control, the first module parts are divided into the functionality of the multilevel converter or into the divided functionality of the boost Switch the converter and the multilevel converter. Corresponding module taps are provided on the semiconductor module for connecting the first module parts to the controllable switching means. The switching means can be designed, for example, as controllable contactors.

In einer weiterbildenden Ausführungsform der Stromrichteranordnung ist vorgesehen, dass die Stromrichteranordnung eine Schaltsteuerung zum Steuern der Schaltmittel umfasst, wobei die Schaltsteuerung derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer auf einer vorausliegenden Strecke zur Verfügung stehenden Energieversorgung die steuerbaren Schaltmittel anzusteuern. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Schaltsteuerung von einer Navigationseinrichtung des Fahrzeugs eine Streckenkarte bereitgestellt wird, wobei in der Streckenkarte Streckenabschnitte hinterlegt sind, an denen eine externe Energieversorgung beispielsweise mittels eines Oberleitungssystems bereitgestellt wird. Bewegt das Fahrzeug sich auf einen Streckenabschnitt zu, an dem keine externe Energieversorgung bereitgestellt wird, so schaltet die Schaltsteuerung die Schaltmittel in den geteilten Betriebsmodus, sodass die Hochvoltbatterie für die verbleibende Strecke mit bereitgestellter externer Energieversorgung mittels des Boost-Converters mit einer erhöhten Ladeleistung geladen wird. Am Beginn des nachfolgenden Streckenabschnitts, an dem keine externe Energieversorgung mehr bereitgestellt wird, hat die Hochvoltbatterie dann eine größere Ladung als dies bei normaler Ladeleistung der Fall gewesen wäre. Die Ausführungsform ermöglicht daher eine vorausschauende Ladesteuerung der Hochvoltbatterie. Auch im Ruhezustand des Fahrzeugs kann der geteilte Betriebsmodus dazu verwendet werden, die Hochvoltbatterie mit einer erhöhten Ladeleistung zu laden. Die Schaltsteuerung kann als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.In a further embodiment of the converter arrangement, it is provided that the converter arrangement comprises a switching control for controlling the switching means, the switching control being designed to control the controllable switching means as a function of an energy supply available on a route ahead. For example, provision can be made for a route map to be provided to the shift control by a navigation device of the vehicle, route sections being stored in the route map on which an external energy supply is provided, for example by means of an overhead line system. If the vehicle moves to a section of the route on which no external energy supply is provided, the switching controller switches the switching means to the split operating mode, so that the high-voltage battery for the remaining route with external energy supply provided is charged with an increased charging power by means of the boost converter . At the beginning of the following section of the route, where no external energy supply is provided, the high-voltage battery then has a larger charge than would have been the case with normal charging power. The embodiment therefore enables predictive charge control of the high-voltage battery. Even when the vehicle is idle, the split operating mode can be used to charge the high-voltage battery with an increased charging capacity. The switching controller can be designed as a combination of hardware and software, for example as program code, which is executed on a microcontroller or microprocessor.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Halbleitermoduls für eine Stromrichteranordnu ng;
  • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Halbleitermoduls für eine Stromrichteranordnung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Stromrichteranordnung.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to the figures. Here show:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the semiconductor module for a converter arrangement;
  • 2nd a schematic representation of a further embodiment of the semiconductor module for a converter arrangement;
  • 3rd is a schematic representation of an embodiment of the converter arrangement.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Halbleitermoduls 1 für eine Stromrichteranordnung gezeigt. Das Halbleitermodul 1 umfasst einen ersten Modulteil 2 und einen zweiten Modulteil 3.In 1 is a schematic representation of an embodiment of the semiconductor module 1 shown for a converter arrangement. The semiconductor module 1 comprises a first module part 2nd and a second module part 3rd .

Der erste Modulteil 2 ist nach einem T-NPC RB Design ausgebildet und umfasst zwei serielle Schalttransistoren T1, T2 mit jeweils antiparallelen Dioden D1, D2, und zwei antiparallele Schalttransistoren T3, T4 mit Reverse Blocking-Fähigkeit und eine Diode D3. Die seriellen Schalttransistoren T1, T2 sind mit einem Lowsideabgriff LS1, einem Highsideabgriff HS1 und an einem Mittenpunkt mit einem Modulabgriff M1 verbunden. Die zwei antiparallelen Schalttransistoren T3, T4 sind mit einem Mittenabgriff N1 und einem Modulabgriff M2 verbunden. Die Diode D3 ist kathodenseitig mit einem Modulabgriff M3 und anodenseitig modulintern mit dem Lowsideabgriff LS1 verbunden.The first module part 2nd is designed according to a T-NPC RB design and comprises two serial switching transistors T1 , T2 each with anti-parallel diodes D1 , D2 , and two anti-parallel switching transistors T3 , T4 with reverse blocking ability and one diode D3 . The serial switching transistors T1 , T2 are with a lowside tap LS1 , a highside tap HS1 and at a midpoint with a module tap M1 connected. The two anti-parallel switching transistors T3 , T4 are with a center tap N1 and a module tap M2 connected. The diode D3 is on the cathode side with a module tap M3 and on the anode side inside the module with the low-side tap LS1 connected.

Das zweite Modulteil 3 umfasst eine Halbbrücke 4. Der zweite Modulteil 2 bzw. die Halbbrücke 4 sind nach einem Drei-Level NPC Design ausgebildet. Der zweite Modulteil 2 umfasst vier serielle Schalttransistoren T5, T6, T7, T8 mit jeweils antiparallelen Dioden D5, D6, D7, D8 und zwei serielle Dioden D9, D10, welche inneren Schalttransistoren T6, T7 antiparallel geschaltet sind. Die seriellen Schalttransistoren T5, T6, T7, T8 weisen einen Lowsideabgriff LS2, einen Highsideabgriff HS2 und an einem Mittenpunkt einen Modulabgriff M4 auf. Die seriellen Dioden D9, D10 weisen an einem Mittenpunkt einen Mittenabgriff N2 auf.The second module part 3rd includes a half bridge 4th . The second part of the module 2nd or the half bridge 4th are trained in a three-level NPC design. The second part of the module 2nd includes four serial switching transistors T5 , T6 , T7 , T8 each with anti-parallel diodes D5 , D6 , D7 , D8 and two serial diodes D9 , D10 what internal switching transistors T6 , T7 are connected in anti-parallel. The serial switching transistors T5 , T6 , T7 , T8 have a lowside tap LS2 , a highside tap HS2 and a module tap at a center point M4 on. The serial diodes D9 , D10 have a center tap at a center point N2 on.

Prinzipiell kann die Halbbrücke 4 aus anders ausgebildet sein, beispielsweise als Zwei- oder Fünf-Level-Halbbrücke, wobei die Abgriffe LS2, HS2, N2, M4 und gegebenenfalls weitere Abgriffe dann entsprechend hierfür ausgelegt sind.In principle, the half-bridge 4th be designed differently, for example as a two- or five-level half-bridge, the taps LS2 , HS2 , N2 , M4 and if necessary further taps are then designed accordingly.

Die Schalttransistoren Tx können als IGBTs ausgebildet sein. Insbesondere können die antiparallelen Schalttransistoren T3, T4 als antiparallele IGBT RBs ausgeführt sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Schalttransistoren T5, T6, T7, T8 als IGBTs ausgebildet sind, die anderen Schalttransistoren T1, T2, T3, T4 hingegen als SiC-MOSFETs. SiC-MOSFETs haben den Vorteil geringerer Verluste und ermöglichen darüber hinaus höhere Schaltfrequenzen.The switching transistors Tx can be designed as IGBTs. In particular, the anti-parallel switching transistors T3 , T4 be designed as anti-parallel IGBT RBs. However, it can also be provided that the switching transistors T5 , T6 , T7 , T8 are designed as IGBTs, the other switching transistors T1 , T2 , T3 , T4 however, as SiC MOSFETs. SiC MOSFETs have the advantage of lower losses and also enable higher switching frequencies.

Für die Ansteuerung der einzelnen Schalttransistoren Tx sind weitere Niedervoltabgriffe vorgesehen, welche der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht gezeigt sind.Additional low-voltage taps are provided for the control of the individual switching transistors Tx, but these are not shown for the sake of clarity.

Das Halbleitermodul 1 ist insbesondere dazu ausgebildet, auf einfache Weise mit anderen gleichartigen Halbleitermodulen 1, insbesondere in Form eines Stapels bzw. Stacks, kombiniert zu werden. Hierzu weist das Halbleitermodul 1 ein hinsichtlich der Form und der Abmessungen kompaktes Gehäuse auf (nicht gezeigt), welches auch Verbindungsmittel zum Anordnen des Halbleitermoduls 1 auf einer Schiene und/oder in einen Stapel bzw. Stack etc. aufweisen kann. Auf diese Weise kann beispielsweise für jede Phase einer elektrischen Maschine ein Halbleitermodul 1 vorgesehen sein.The semiconductor module 1 is especially designed to easily with other similar semiconductor modules 1 , in particular in the form of a stack or stack. For this purpose, the semiconductor module 1 a compact in terms of shape and dimensions on (not shown), which also connecting means for arranging the semiconductor module 1 can have on a rail and / or in a stack or stack etc. In this way, for example, a semiconductor module can be used for each phase of an electrical machine 1 be provided.

In einfacher Ausführung kann das Halbleitermodul 1 beispielsweise zum Ansteuern bzw. Antreiben von zwei elektrischen Maschinen verwendet werden.In a simple version, the semiconductor module 1 can be used, for example, to control or drive two electrical machines.

In 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Halbleitermoduls 1 für eine Stromrichteranordnung gezeigt. Das Halbleitermodul 1 ist weitgehend identisch zu der in der 1 gezeigten Ausführungsform, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale und Begriffe.In 2nd is a schematic representation of a further embodiment of the semiconductor module 1 shown for a converter arrangement. The semiconductor module 1 is largely identical to that in the 1 Embodiment shown, same reference numerals designate the same features and terms.

Im Gegensatz zu der in der 1 gezeigten Ausführungsform ist der erste Modulteil 2 des gezeigten Halbleitermoduls 1 nach einem klassischen T-NPC Design ausgebildet und umfasst zwei serielle Schalttransistoren T1, T2 mit jeweils antiparallelen Dioden D1, D2, zwei serielle gegenpolige Schalttransistoren T3, T4 mit jeweils antiparallelen Dioden D11, D12 und eine Diode D3. Ansonsten ist die Verschaltung und der Aufbau des Halbleitermoduls 1 gleich zu der in der 1 dargestellten Ausführungsform.In contrast to that in the 1 The embodiment shown is the first module part 2nd of the semiconductor module shown 1 designed according to a classic T-NPC design and includes two serial switching transistors T1 , T2 each with anti-parallel diodes D1 , D2 , two serial opposite pole switching transistors T3 , T4 each with anti-parallel diodes D11 , D12 and a diode D3 . Otherwise, the interconnection and structure of the semiconductor module 1 equal to that in the 1 illustrated embodiment.

In 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Stromrichteranordnung 10 gezeigt. Die Stromrichteranordnung 10 ist beispielsweise in einem Fahrzeug 50, insbesondere einem Nutzfahrzeug, angeordnet.In 3rd is a schematic representation of an embodiment of the converter arrangement 10 shown. The converter arrangement 10 is in a vehicle, for example 50 , in particular a commercial vehicle.

Die gezeigte Stromrichteranordnung 10 dient dazu, eine von einem Oberleitungssystem 20 bereitgestellte Spannung zum Laden einer Hochvoltbatterie 21 und zum Antreiben einer elektrischen Maschine 22 zu wandeln. In der gezeigten Ausführungsform ist die von dem Oberleitungssystem 20 bereitgestellte Spannung 1200 V und wird der Stromrichteranordnung 10 über Schütze 23 und Drosseln 24 zugeführt. Die Ladespannung der Hochvoltbatterie 21 liegt im Bereich von 800 V. Prinzipiell kann die Stromrichteranordnung 10 jedoch auch bei anderen Spannungen betrieben werden.The converter arrangement shown 10 serves one of a catenary system 20 Voltage provided for charging a high-voltage battery 21st and to drive an electrical machine 22 to walk. In the embodiment shown is that of the overhead line system 20 Provided voltage 1200 V and is the converter arrangement 10 about Sagittarius 23 and chokes 24th fed. The charging voltage of the high-voltage battery 21st is in the range of 800 V. In principle, the converter arrangement 10 but can also be operated at other voltages.

Die Stromrichteranordnung 10 umfasst drei Halbleitermodule 1, welche dem Aufbau nach jeweils der in 1 gezeigten Ausführungsform entsprechen. Um die Funktionsweise zu verdeutlichen, sind die drei Halbleitermodule 1 der Funktion nach aufgetrennt, um die Funktionalität zu verdeutlichen, wobei die ersten Modulteile 2 und die zweiten Modulteile 3 jeweils gruppiert dargestellt sind.The converter arrangement 10 comprises three semiconductor modules 1 , which have the structure according to the in 1 shown embodiment correspond. The three semiconductor modules are used to illustrate how they work 1 separated in function to clarify the functionality, the first module parts 2nd and the second module parts 3rd are shown in groups.

Die zweiten Modulteile 3 bilden zusammen einen Gleichspannungswandler 11 aus (DC/DC-Wandler), mit dem die von dem Oberleitungssystem 20 bereitgestellte Spannung auf eine Ladespannung der Hochvoltbatterie 21 gewandelt werden kann. Die einzelnen Abgriffe der zweiten Modulteile 3 sind der Übersichtlichkeit halber lediglich für eines der ersten Modulteile 3 gezeigt, die Abgriffe und die Verschaltung der anderen ersten Modulteile 3 sind aber analog hierzu ausgebildet. Die Highsideabgriffe HS2 sind mit einem Highsidepotential HS+ verbunden. Die Lowsideabgriffe LS2 der einzelnen Halbbrücken 4 sind mit dem Erdpotential GND verbunden. Die Mittenabgriffe N2 der zweiten Modulteile 3 sind an einem Mittenpunkt eines aus zwei Kondensatoren C1, C2 gebildeten Zwischenkreises verbunden und liegen daher auf einer Zwischenspannung zwischen dem Highsidepotential HS+ und dem Erdpotential GND. Die jeweiligen Mittenpunkte der seriellen Schalttransistoren sind über die jeweiligen Modulabgriffe M4 über zwischengeschaltete Induktivitäten miteinander verbunden und stellen eine Zwischenspannung als Lowsidepotential LS+ bereit.The second module parts 3rd together form a DC-DC converter 11 from (DC / DC converter) with which the from the overhead line system 20 provided voltage to a charging voltage of the high-voltage battery 21st can be changed. The individual taps of the second module parts 3rd are for the sake of clarity only for one of the first module parts 3rd shown the taps and the interconnection of the other first module parts 3rd are but trained analogously to this. The highside taps HS2 are with a highside potential HS + connected. The low taps LS2 of the individual half bridges 4th are with the earth potential GND connected. The center taps N2 of the second module parts 3rd are at one midpoint one of two capacitors C1 , C2 formed intermediate circuit and are therefore at an intermediate voltage between the highside potential HS + and the earth potential GND . The respective center points of the serial switching transistors are above the respective module taps M4 connected to each other via interposed inductors and provide an intermediate voltage as lowside potential LS + ready.

Die Hochvoltbatterie 21 ist mit einem Pluspol mit dem Lowsidepotential LS+ und mit einem Minuspol mit dem Erdpotential GND verbunden.The high-voltage battery 21st is with a plus pole with the lowside potential LS + and with a negative pole with the earth potential GND connected.

Die ersten Modulteile 2 bilden zusammen einen Umrichter 12 zum Antreiben der elektrischen Maschine 22, wobei jeweils ein Halbleitermodul 1 einer der Phasen der elektrischen Maschine 22 zugeordnet ist. Die Abgriffe der ersten Modulteile 2 sind der Übersichtlichkeit halber lediglich für eines der ersten Modulteile 2 gezeigt, die Abgriffe und die Verschaltung der anderen ersten Modulteile 2 sind aber analog hierzu ausgebildet. Die Highsideabgriffe HS1 sind mit dem Lowsidepotential LS+ verbunden. Die Lowsideabgriffe LS1 sind mit dem Erdpotential GND verbunden. Die Mittenabgriffe N1 sind über ein als Schaltschütz S0 ausgebildetes Schaltmittel in einem Antriebs-Betriebsmodus mit einer Zwischenspannung an einem Mittenpunkt eines aus zwei Kondensatoren C3, C4 gebildeten Zwischenkreises oder in einem Boost-Betriebsmodus mit dem Highsidepotential HS+ verbunden. Die Modulabgriffe M2 lassen sich über als Schaltschütze S1, S2, S3 ausgebildete Schaltmittel in dem Antriebs-Betriebsmodus mit dem Modulabgriff M1 und in dem Boost-Betriebsmodus mit dem Modulabgriff M3 und einer mit dem Lowsidepotential LS+ verbundenen Induktivität LA, LB, LC verbinden.The first module parts 2nd together form an inverter 12th for driving the electrical machine 22 , each with a semiconductor module 1 one of the phases of the electrical machine 22 assigned. The taps of the first module parts 2nd are for the sake of clarity only for one of the first module parts 2nd shown the taps and the interconnection of the other first module parts 2nd but are designed analogously to this. The highside taps HS1 are with the lowside potential LS + connected. The low taps LS1 are with the earth potential GND connected. The center taps N1 are about one as a contactor S0 formed switching means in a drive operating mode with an intermediate voltage at a center point of one of two capacitors C3 , C4 formed intermediate circuit or in a boost operating mode with the highside potential HS + connected. The module taps M2 can be used as contactors S1 , S2 , S3 trained switching means in the drive operating mode with the module tap M1 and in the Boost operating mode with the module tap M3 and one with the lowside potential LS + connected inductance LA , LB , LC connect.

Zwischen dem Gleichspannungswandler 11 und dem Umrichter 12 ist ein Zwischenkreiskondensator C5 angeordnet.Between the DC converter 11 and the converter 12th is an intermediate circuit capacitor C5 arranged.

In dem Antriebs-Betriebsmodus wird der Umrichter 12 im Drei-Level-Betriebsmodus betrieben, alle Schalttransistoren des ersten Modulteils sind am Umrichten beteiligt. Im Boost-Betriebsmodus wird der Umrichter hingegen nur im Zwei-Level-Betriebsmodus betrieben. Die antiparallelen Schalttransistoren bilden zusammen mit den Induktivitäten LA, LB, LC einen Boost-Converter aus, der es ermöglicht, die Hochvoltbatterie 21 mit einer erhöhten Ladeleistung zu laden.In the drive operating mode, the converter 12th Operated in three-level operating mode, all switching transistors of the first module part are involved in the conversion. In contrast, in the boost operating mode, the converter is only operated in the two-level operating mode. The anti-parallel switching transistors form together with the inductors LA , LB , LC a boost converter, which enables the high-voltage battery 21st to charge with an increased charging capacity.

Die Schaltmittel bzw. die Schaltschütze S0, S1, S2, S3 sind steuerbar und können beispielsweise von einer Schaltsteuerung 13 angesteuert werden. Der Übersichtlichkeit halber sind keine Steuerleitungen zu den Schaltmitteln bzw. Schaltschützen S0, S1, S2, S3 dargestellt.The switching means or the contactors S0 , S1 , S2 , S3 are controllable and can, for example, by a switching control 13 can be controlled. For the sake of clarity, there are no control lines to the switching devices or contactors S0 , S1 , S2 , S3 shown.

Es kann vorgesehen sein, dass die Schaltsteuerung 13 die steuerbaren Schaltmittel bzw. Schaltschütze S0, S1, S2, S3 in Abhängigkeit einer auf einer vorausliegenden Strecke zur Verfügung stehenden Energieversorgung ansteuert. Hierdurch kann ein Laden der Hochvoltbatterie 21 mit erhöhter Ladeleistung im Boost-Betriebsmodus eingestellt werden, um beispielsweise vor einem Streckenabschnitt ohne externe Energieversorgung die Hochvoltbatterie vorausschauend mit einer erhöhten Ladeleistung aufzuladen. Hierzu kann der Schaltsteuerung 13 beispielsweise von einer Navigationseinrichtung des Fahrzeugs 50 eine Streckenkarte 30 bereitgestellt werden, in der Streckenabschnitte hinterlegt sind, an denen eine externe Energieversorgung verfügbar ist. Nähert sich das Fahrzeug einem Streckenabschnitt, in dem keine externe Energieversorgung verfügbar ist, so kann dann vorausschauend in den Boost-Betriebsmodus umgeschaltet werden, um die Hochvoltbatterie 21 mit der erhöhten Ladeleistung zu laden.It can be provided that the switching control 13 the controllable switching means or contactors S0 , S1 , S2 , S3 controlled depending on an energy supply available on a route ahead. This can charge the high-voltage battery 21st can be set with increased charging power in the boost operating mode in order, for example, to pre-charge the high-voltage battery with an increased charging power before a section of the route without external energy supply. For this, the switching control 13 for example from a navigation device of the vehicle 50 a route map 30th are provided in which sections of the route are stored on which an external energy supply is available. If the vehicle approaches a section of the route in which no external energy supply is available, the high-voltage battery can then be switched to the boost operating mode in advance 21st to charge with the increased charging power.

Der Vorteil der beschriebenen Stromrichteranordnung 10 ist, dass durch die Auslegung der Halbleitermodule 1 eine äußerst kompakte Bauweise möglich ist. Zudem können durch die Möglichkeit, gesteuert zwischen einem vollen 3-Level-Betriebsmodus des Umrichters 12 und einem 2-Level-Betriebsmodus des Umrichters 12 mit zusätzlicher Boost-Funktion zum Laden der Hochvoltbatterie 21 mit erhöhter Ladeleistung umzuschalten, elektronische Bauteile eingespart werden, da ein Teil der ersten Modulteile 2 für beide Funktionalitäten verwendet werden kann. Hierdurch kann eine Komplexität bei der Auslegung der Stromrichteranordnung 10 reduziert werden und es können sowohl ein Bauraum als auch Kosten und Aufwand eingespart werden.The advantage of the converter arrangement described 10 is that by designing the semiconductor modules 1 an extremely compact design is possible. In addition, the possibility to control between a full 3-level operating mode of the converter 12th and a 2-level operating mode of the converter 12th with additional boost function for charging the high-voltage battery 21st switching with increased charging power, electronic components can be saved as part of the first module parts 2nd can be used for both functionalities. This can result in a complexity in the design of the converter arrangement 10 can be reduced and both installation space and costs and effort can be saved.

Die in der 3 gezeigte Stromrichteranordnung 10 lässt sich prinzipiell auch mit den Halbleitermodulen 1 gemäß der in der 2 gezeigten Ausführungsform realisieren, wobei eine Verschaltung entsprechend erfolgt.The in the 3rd shown converter arrangement 10 can in principle also be used with the semiconductor modules 1 according to the in the 2nd Realize the embodiment shown, an interconnection takes place accordingly.

BezugszeichenlisteReference list

11
HalbleitermodulSemiconductor module
22nd
erster Modulteilfirst module part
33rd
zweiter Modulteilsecond part of the module
44th
HalbbrückeHalf bridge
1010th
StromrichteranordnungPower converter arrangement
11 11
GleichspannungswandlerDC converter
1212th
UmrichterConverter
1313
SchaltsteuerungSwitching control
2020
OberleitungssystemCatenary system
2121
HochvoltbatterieHigh-voltage battery
2222
elektrische Maschineelectrical machine
2323
SchützContactor
2424th
Drosselthrottle
3030th
StreckenkarteRoute map
5050
Fahrzeugvehicle
HS1HS1
Highsideabgriff (erster Modulteil)Highside tap (first module part)
LS1LS1
Lowsideabgriff (erster Modulteil)Lowside tap (first module part)
HS2HS2
Highsideabgriff (zweiter Modulteil)Highside tap (second module part)
LS2LS2
Lowsideabgriff (zweiter Modulteil)Lowside tap (second module part)
HS+HS +
HighsidepotentialHighside potential
LS+LS +
LowsidepotentialLowside potential
GNDGND
ErdpotentialEarth potential
M1M1
ModulabgriffModule tap
M2M2
ModulabgriffModule tap
M3M3
ModulabgriffModule tap
M4M4
ModulabgriffModule tap
N1N1
MittenabgriffCenter tap
N2N2
MittenabgriffCenter tap
T1T1
SchalttransistorSwitching transistor
T2T2
SchalttransistorSwitching transistor
T3T3
SchalttransistorSwitching transistor
T4T4
SchalttransistorSwitching transistor
T5T5
SchalttransistorSwitching transistor
T6T6
SchalttransistorSwitching transistor
T7T7
SchalttransistorSwitching transistor
T8T8
SchalttransistorSwitching transistor
D1D1
Diodediode
D2D2
Diodediode
D3D3
Diodediode
D4D4
Diodediode
D5D5
Diodediode
D6D6
Diodediode
D7D7
Diodediode
D8D8
Diodediode
D9D9
Diodediode
D10D10
Diodediode
D11D11
Diodediode
D12D12
Diodediode
C1C1
Kondensatorcapacitor
C2C2
Kondensatorcapacitor
C3C3
Kondensatorcapacitor
C4C4
Kondensatorcapacitor
C5C5
Kondensatorcapacitor
LALA
InduktivitätInductance
LBLB
InduktivitätInductance
LCLC
InduktivitätInductance
S0S0
steuerbares Schütz (Schaltmittel)controllable contactor (switching means)
S1S1
steuerbares Schütz (Schaltmittel)controllable contactor (switching means)
S2S2
steuerbares Schütz (Schaltmittel)controllable contactor (switching means)
S3S3
steuerbares Schütz (Schaltmittel)controllable contactor (switching means)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102017203065 A1 [0005]DE 102017203065 A1 [0005]

Claims (10)

Halbleitermodul (1) für eine Stromrichteranordnung (10), umfassend: einen ersten Modulteil (2), wobei der erste Modulteil (2) nach einem T-NPC Design ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul (1) einen zweiten Modulteil (3) aufweist, wobei der zweite Modulteil (3) eine Halbbrücke (4) umfasst.Semiconductor module (1) for a converter arrangement (10), comprising: a first module part (2), the first module part (2) being designed according to a T-NPC design, characterized in that the semiconductor module (1) has a second module part (3 ), the second module part (3) comprising a half bridge (4). Halbleitermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Modulteil (2) zwei serielle Schalttransistoren (T1, T2) mit jeweils antiparallelen Dioden (D1, D2), und zwei antiparallele Schalttransistoren (T3, T4) mit Reverse Blocking-Fähigkeit, und eine Diode (D3) umfasst, wobei die seriellen Schalttransistoren (T1, T2) mit einem Lowsideabgriff (LS1), einem Highsideabgriff (HS1) und an einem Mittenpunkt mit einem Modulabgriff (M1) verbunden sind, wobei die zwei antiparallelen Schalttransistoren (T3, T4) mit einem Mittenabgriff (N1) und einem Modulabgriff (M2) verbunden sind, und wobei die Diode (D3) kathodenseitig mit einem Modulabgriff (M3) und anodenseitig modulintern mit dem Lowsideabgriff (LS) verbunden ist.Semiconductor module (1) after Claim 1 , characterized in that the first module part (2) two serial switching transistors (T1, T2), each with anti-parallel diodes (D1, D2), and two anti-parallel switching transistors (T3, T4) with reverse blocking capability, and a diode (D3) The serial switching transistors (T1, T2) are connected to a low-side tap (LS1), a high-side tap (HS1) and at a center point to a module tap (M1), the two anti-parallel switching transistors (T3, T4) being connected to a center tap ( N1) and a module tap (M2) are connected, and the diode (D3) is connected on the cathode side to a module tap (M3) and on the anode side module-internally to the low-side tap (LS). Halbleitermodul (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Modulteil (3) nach einem Drei-Level NPC Design ausgebildet ist.Semiconductor module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the second module part (3) is designed according to a three-level NPC design. Halbleitermodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Modulteil (3) vier serielle Schalttransistoren (T5, T6, T7, T8) mit jeweils antiparallelen Dioden (D5, D6, D7, D8), und zwei serielle Dioden (D9, D10), welche inneren der seriellen Schalttransistoren (T6, T7) antiparallel geschaltet sind, umfasst, wobei die seriellen Schalttransistoren (T5, T6, T7, T8) einen Lowsideabgriff (LS2), einen Highsideabgriff (HS2) und an einem Mittenpunkt einen Modulabgriff (M4) aufweisen, und wobei die seriellen Dioden (D9, D10) an einem Mittenpunkt einen Mittenabgriff (N2) aufweisen.Semiconductor module (1) after Claim 3 , characterized in that the second module part (3) four serial switching transistors (T5, T6, T7, T8), each with anti-parallel diodes (D5, D6, D7, D8), and two serial diodes (D9, D10), which inner of serial switching transistors (T6, T7) are connected in anti-parallel, the serial switching transistors (T5, T6, T7, T8) having a low-side tap (LS2), a high-side tap (HS2) and a module tap (M4) at a center point, and wherein the serial diodes (D9, D10) have a center tap (N2) at a center point. Stromrichteranordnung (10) für ein Fahrzeug (50), umfassend: mindestens ein Halbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.Converter arrangement (10) for a vehicle (50), comprising: at least one semiconductor module (1) according to one of the Claims 1 to 4th . Stromrichteranordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichteranordnung (10) drei Halbleitermodule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, wobei die ersten Modulteile (2) derart verschaltet sind, dass diese gemeinsam einen Multilevel-Umrichter (12) zum Antreiben einer elektrischen Maschine (22) ausbilden, und wobei die zweiten Modulteile (3) derart verschaltet sind, dass diese gemeinsam einen Gleichspannungswandler (11) ausbilden.Converter arrangement (10) after Claim 5 , characterized in that the converter arrangement (10) three semiconductor modules (1) according to one of the Claims 1 to 4th The first module parts (2) are connected in such a way that they jointly form a multilevel converter (12) for driving an electrical machine (22), and the second module parts (3) are connected in such a way that they together form a DC / DC converter (11) train. Stromrichteranordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Modulteile (2) derart verschaltet sind, dass diese wahlweise vollständig zu einer Funktionalität des Multilevel-Umrichters (12) beitragen oder teilweise zur Funktionalität eines Boost-Converters und teilweise zur Funktionalität des Multilevel-Umrichters (12).Converter arrangement (10) after Claim 6 , characterized in that the first module parts (2) are connected in such a way that they either contribute completely to a functionality of the multilevel converter (12) or partly to the functionality of a boost converter and partly to the functionality of the multilevel converter (12). Stromrichteranordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Modulteile (2) jeweils mit einem steuerbaren Schaltmittel (S1, S2, S3) gekoppelt sind, wobei die steuerbaren Schaltmittel (S1, S2, S3) derart ausgebildet sind, je nach Ansteuerung die ersten Modulteile (2) in die Funktionalität des Multilevel-Umrichters (12) oder in die geteilte Funktionalität des Boost-Converters und des Multilevel-Umrichters (12) zu schalten.Converter arrangement (10) after Claim 7 , characterized in that the first module parts (2) are each coupled to a controllable switching means (S1, S2, S3), the controllable switching means (S1, S2, S3) being designed such that, depending on the control, the first module parts (2) to switch into the functionality of the multilevel converter (12) or into the divided functionality of the boost converter and the multilevel converter (12). Stromrichteranordnung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichteranordnung (20) eine Schaltsteuerung (13) zum Steuern der Schaltmittel (S1, S2, S3) umfasst, wobei die Schaltsteuerung (13) derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer auf einer vorausliegenden Strecke zur Verfügung stehenden Energieversorgung die steuerbaren Schaltmittel (S1, S2, S3) anzusteuern.Converter arrangement (10) after Claim 8 , characterized in that the converter arrangement (20) comprises a switching control (13) for controlling the switching means (S 1 , S 2 , S 3 ), the switching control (13) being designed as a function of one available on a route ahead to control the controllable switching means (S1, S2, S3) when the power supply is stationary. Fahrzeug (50) mit einer Stromrichteranordnung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 9.Vehicle (50) with a converter arrangement (20) according to one of the Claims 5 to 9 .
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Ahmed Sheir ; Mohamed Z. Youssef ; Mohamed OrabiIEEE A Novel Bidirectional T-Type Multilevel Inverter for Electric Vehicle ApplicationsTransactions on Power ElectronicsYear: 2019 | Volume: 34, Issue: 7 | Journal Article | Publisher: IEEEFirst publication: 20 September 2018 *

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