DE102019111023A1 - Gleichtaktdrossel für parallel geschalteten leistungshalbleiter - Google Patents

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Abstract

Diese Offenbarung stellt eine Gleichtaktdrossel für parallel geschalteten Leistungshalbleiter mit integriertem Stromsensor bereit. Ein Leistungsmodul beinhaltet Leistungsschaltvorrichtungen, die elektrisch parallel gekoppelt sind, um die Stromkapazität zu erhöhen. Die parallel geschalteten Leistungsschaltvorrichtungen werden durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst. Jede der Leistungsschaltvorrichtungen umfasst einen Gate-Anschluss, einen Strommessanschluss und einen Kelvin-Source/Emitter-Anschluss. Das Leistungsmodul umfasst eine Vielzahl von magnetisch gekoppelten Wicklungen, die den Gate-Anschluss, den Strommessanschluss und den Kelvin-Source/Emitter-Anschluss von jeder der Schaltvorrichtungen mit einer Gate-Treiberschaltung verbinden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Anmeldung betrifft allgemein eine Gleichtaktdrosselschaltung, die in ein Leistungshalbleitermodul integriert ist.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Hybrid- und Elektrofahrzeuge nutzen elektrische Energie zum Antrieb. Zur Umwandlung der elektrischen Energie werden Leistungshalbleiter verwendet. Die Leistungshalbleiter sind so ausgelegt, dass sie eine vorbestimmte Strommenge führen. In einer typischen Anwendung werden Leistungshalbleiter so ausgewählt, dass sie mehr Strom führen, als notwendig ist. Mit steigendem Strombedarf können die Kosten der Leistungshalbleiter steigen. Wenn der Strombedarf ansteigt, können weitere thermische Steuerungen erforderlich sein, um die Leistungshalbleiter innerhalb spezifizierter Betriebstemperaturen zu halten.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein Leistungsmodul umfasst eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen, die elektrisch parallel gekoppelt sind und durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden, wobei jede einen Gate-Anschluss, einen Strommessanschluss und einen Kelvin-Source/Emitter-Anschluss umfasst. Das Leistungsmodul umfasst ferner eine Vielzahl von magnetisch gekoppelten Wicklungen, die den Gate-Anschluss, den Strommessanschluss und den Kelvin-Source/Emitter-Anschluss von jeder der Schaltvorrichtungen mit einer Gate-Treiberschaltung verbinden.
  • Eine Anzahl von Windungen von jeder der magnetisch gekoppelten Wicklungen kann gleich sein. Der Strommessanschluss und der Kelvin-Source/Emitter-Anschluss können miteinander gekoppelt sein. Eine Induktivität jeder der magnetisch gekoppelten Wicklungen kann größer sein als eine Streuinduktivität in einer zugehörigen Verbindung. Eine erste der magnetisch gekoppelten Wicklungen kann elektrisch zwischen den Gate-Anschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet sein, eine zweite der magnetisch gekoppelten Wicklungen kann elektrisch zwischen den Strommessanschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet sein, und eine dritte der magnetisch gekoppelten Wicklungen kann elektrisch zwischen den Kelvin-Source/Emitter-Anschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet sein. Ein Spannungsabfall über eine der magnetisch gekoppelten Wicklungen hinweg kann einen äquivalenten Spannungsabfall über die verbleibenden magnetisch gekoppelten Wicklungen hinweg induzieren.
  • Ein Leistungsmodul umfasst eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen, die durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden, zwischen einer Wicklung einer elektrischen Maschine und einem Batterieanschluss elektrisch parallel gekoppelt sind und an einem Substrat befestigt sind, das erste, zweite und dritte Leiterbahnen umfasst, die um eine gemeinsame Achse herum ausgebildet sind, um eine Gleichtaktdrossel zu definieren, die einen Gate-Pfad, einen Strommesspfad und einen Kelvin-Source / Emitter-Pfad von jeder der Schaltvorrichtungen magnetisch koppelt.
  • Eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen kann eine Wicklung im Gate-Pfad bilden, der einen Gate-Eingang der Schaltvorrichtungen mit dem gemeinsamen Gate-Signal verbindet. Eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen kann eine Wicklung im Kelvin-Source/Emitter-Pfad bilden, der einen Kelvin-Source/Emitter-Ausgang der Schaltvorrichtungen mit einem gemeinsamen Steuersignal verbindet. Eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen kann eine Wicklung im Strommesspfad bilden, der einen Strommessausgang der Schaltvorrichtungen mit einem gemeinsamen Steuersignal verbindet. Eine Anzahl von Windungen der ersten, zweiten und dritten Leiterbahn kann gleich sein. Das Leistungsmodul kann ferner einen Magnetkern enthalten, der an einer zentralen Position eingefügt ist, die durch die erste, zweite und dritte Leiterbahn definiert ist. Die erste, zweite und dritte Leiterbahn können als Kupferbahnen auf den jeweiligen Ebenen des Substrats ausgebildet sein. Die erste, zweite und dritte Leiterbahn können in derselben Schicht des Substrats ausgebildet sein. Die erste, zweite und dritte Leiterbahn können in verschiedenen Schichten des Substrats ausgebildet sein.
  • Ein Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine und einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Schaltvorrichtungen, die durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden und elektrisch parallel zwischen einer Wicklung einer elektrischen Maschine und einem Batterieanschluss gekoppelt sind, und einer Gleichtaktdrossel , die jeder der Schaltvorrichtungen zugeordnet ist und eine Gate-Schaltung, eine Strommessschaltung und eine Kelvin-Source / Emitter-Schaltung, die den Schaltvorrichtungen zugeordnet sind, magnetisch koppelt.
  • Mit jeder Wicklung der Gleichtaktdrossel verbundene Induktivitäten können einen äquivalenten Induktivitätswert aufweisen. Die Gleichtaktdrossel kann so konfiguriert sein, dass ein Spannungsabfall über eine Wicklung der Gleichtaktdrossel hinweg einen äquivalenten Spannungsabfall über andere Wicklungen der Gleichtaktdrossel hinweg induziert. Die Gleichtaktdrossel kann als eine Vielzahl von konzentrischen Leiterbahnen auf einem Substrat um eine gemeinsame Achse herum ausgebildet sein. Die Gleichtaktdrossel kann als eine Vielzahl von Leiterbahnen ausgebildet sein, die jeweils um eine gemeinsame Achse auf einer anderen Schicht eines Substrats ausgebildet sind.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Schaubild eines elektrifizierten Fahrzeugs, das Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten, einschließend eine elektrische Maschine, veranschaulicht.
    • 2 ist ein Schaubild eines Wechselrichters für eine elektrische Maschine.
    • 3 ist eine schematische Darstellung einer Gate-Treiberschaltung für parallel geschaltete Lei stungsschal tvorri chtungen
    • 4 ist eine mögliche Konfiguration zum Parallelschalten von Leistungsschaltvorrichtungen unter Verwendung gekoppelter Spulen.
    • 5 ist eine mögliche Konfiguration für gekoppelte Spulen, die für ein Leistungsmodul verwendet werden.
    • 6 ist eine weitere mögliche Konfiguration zum Parallelschalten von Leistungsschaltvorrichtungen unter Verwendung gekoppelter Spulen.
    • 7 ist eine mögliche Konfiguration für ein Leistungsmodul mit parallelen Schaltvorrichtungen und einer auf einer Leiterplatte implementierten Gleichtaktdrossel.
    • 8 ist eine mögliche Konfiguration für ein Leistungsmodul mit parallelen Schaltvorrichtungen und einer durch Leiterbahnen auf einem Substrat implementierten Gleichtaktdrossel.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert sein, um die Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sollen hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als repräsentative Grundlage der Lehre für den Fachmann, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise einzusetzen. Wie der Durchschnittsfachmann versteht, können verschiedene mit Bezug auf irgendeine der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen dar. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, können für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
  • 1 bildet ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 ab, das als Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können dazu in der Lage sein, als Motor oder Generator betrieben zu werden. Des Weiteren ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Motor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist ferner mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können eine Antriebs- und Abbremsfunktion bereitstellen, wenn der Motor 118 ein- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem als Generatoren fungieren und können Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem Energie zurückgewonnen wird, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es ermöglichen, dass der Motor 118 bei effizienteren Drehzahlen betrieben wird, und es ermöglichen, dass das Hybridelektrofahrzeug 112 im Elektromodus betrieben wird, wobei der Motor 118 unter bestimmten Bedingungen abgeschaltet ist. Bei einem elektrifizierten Fahrzeug 112 kann es sich zudem um ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) handeln. In einer BEV-Konfiguration ist der Verbrennungsmotor 118 unter Umständen nicht vorhanden.
  • Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 genutzt werden kann. Der Fahrzeugbatteriepack 124 kann über einen Hochspannungsgleichstromausgang (DC) verfügen. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 126 gekoppelt sein (kann auch als Traktionswechselrichter bezeichnet werden). Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist zudem elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Beispielsweise kann eine Traktionsbatterie 124 eine DC-Spannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasenwechselstrom (AC) betrieben werden können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die DC-Spannung in einen Dreiphasen-AC-Strom umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-AC-Strom von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie 124 kompatibel ist.
  • Das Fahrzeug 112 kann einen Wandler für variable Spannungen (Variable-Voltage Converter - WC) (nicht gezeigt) beinhalten, der elektrisch zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt ist. Der WC kann ein DC/DC-Aufwärtswandler sein, der dazu konfiguriert ist, die durch die Traktionsbatterie 124 bereitgestellte Spannung zu erhöhen oder hochzusetzen. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen gesenkt werden, was zu einer Verringerung des Verdrahtungsumfangs für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Ferner können die elektrischen Maschinen 114 mit besserer Effizienz und geringeren Verlusten betrieben werden. Neben dem Bereitstellen von Antriebsenergie kann die Traktionsbatterie 124 auch andere Fahrzeugbordnetze mit Energie versorgen. Das Fahrzeug 112 kann ein DC/DC-Wandlermodul 128 beinhalten, das die Hochspannungs-DC-Ausgabe der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-DC-Versorgung umwandelt, die mit Niederspannungsverbrauchern 152 des Fahrzeugs kompatibel ist. Ein Ausgang des DC/DC-Wandlermoduls 128 kann elektrisch an eine Hilfsbatterie 130 (z. B. eine 12 V-Batterie) gekoppelt sein, um die Hilfsbatterie 130 zu laden. Die Niederspannungssysteme 152 können über einen Niederspannungsbus 156 mit der Hilfsbatterie 130 und dem Ausgang des DC / DC-Wandlermoduls 128 elektrisch gekoppelt sein. Ein oder mehrere elektrische Verbraucher 146 können mit dem Hochspannungsbus gekoppelt sein. Die elektrischen Verbraucher 146 können eine zugehörige Steuerung aufweisen, die die elektrischen Verbraucher 146 gegebenenfalls betreibt und steuert. Zu Beispielen für elektrische Verbraucher 146 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimaanlagenkompressor gehören.
  • Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann konfiguriert sein, um die Traktionsbatterie 124 über eine externe Leistungsquelle 136 wieder aufzuladen. Bei der externen Leistungsquelle 136 kann es sich um eine Verbindung zu einer Netzsteckdose handeln. Die externe Stromquelle 136 kann elektrisch an ein Ladegerät oder eine Ladestation für Elektrofahrzeuge (electric vehicle supply equipment - EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetz sein, wie es von einem Elektrizitätsversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Die EVSE 138 kann Schaltungstechnik und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 Strom als Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen. Das EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann jede Art von Anschluss sein, der dazu konfiguriert ist, Strom vom EVSE 138 an das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch an ein Ladegerät oder ein bordeigenes Leistungsumwandlungsmodul 132 gekoppelt sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann die von der EVSE 138 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann mit der EVSE 138 über eine Schnittstelle verbunden sein, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben sind, unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung Leistung übertragen.
  • In einigen Konfigurationen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 konfiguriert sein, um Leistung für einen externen Verbraucher bereitzustellen. Zum Beispiel kann das elektrifizierte Fahrzeug konfiguriert sein, um als ein Notstromaggregat oder eine Stromquelle betrieben zu werden. Bei solchen Anwendungen kann ein Verbraucher mit dem EVSE-Stecker 140 oder einem anderen Ausgang verbunden sein. Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu konfiguriert sein, Leistung zu der Leistungsquelle 136 zurückzuführen. Zum Beispiel kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 dazu konfiguriert sein, Wechselstrom (AC) für das Stromnetz bereitzustellen. Die Spannung, die vom elektrifizierten Fahrzeug bereitgestellt wird, kann mit der Stromleitung synchronisiert sein.
  • Eine oder mehrere Radbremsen 144 können vorhanden sein, um das Fahrzeug 112 abzubremsen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann weitere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 144 zu betreiben. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine einzelne Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den weiteren Radbremsen 144 wird impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung beinhalten, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Komponenten der Bremse überwachen und die Radbremsen 144 zum Verlangsamen des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann außerdem autonom betrieben werden, um Funktionen, wie etwa eine Stabilitätskontrolle, umzusetzen. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anwenden einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer weiteren Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
  • Elektronische Module in dem Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kommunikationskanälen beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus sein, wie etwa ein Controller Area Network (CAN). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk laut der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Weitere Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Beispielsweise können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Softwarekomponenten beinhalten, die eine Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen unterstützen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt, jedoch kann davon ausgegangen werden, dass sich das Fahrzeugnetzwerk mit jedem beliebigen Elektronikmodul verbinden kann, das in dem Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (Vehicle System Controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
  • Die elektrische Maschine 114 kann eine dreiphasige Wechselstrommaschine sein. Die elektrische Maschine 114 kann drei Phaseneingänge haben. Das Leistungselektronikmodul 126 kann konfiguriert sein, um der elektrischen Maschine die Dreiphasenspannungen/-ströme bereitzustellen. 2 zeigt eine mögliche Konfiguration eines Traktionsumrichters in dem Leistungselektronikmodul 126. Das Leistungselektronikmodul 126 kann konfiguriert sein, um selektiv Spannung von einem Hochspannungs-Gleichstrombus 214 an jeden der Phaseneingänge der elektrischen Maschine 114 zu koppeln. Ein erstes Leistungsschaltmodul 202 kann konfiguriert sein, um einen DC-Bus-Leistungsanschluss selektiv mit einem ersten Phaseneingang 218 zu koppeln. Ein zweites Leistungsschaltmodul 204 kann einen DC-Bus-Rückführungsanschluss selektiv mit dem ersten Phaseneingang 218 koppeln. Ein drittes Leistungsschaltmodul 206 kann konfiguriert sein, um einen DC-Bus-Leistungsanschluss selektiv mit einem zweiten Phaseneingang 216 zu koppeln. Ein viertes Leistungsschaltmodul 208 kann einen DC-Bus-Rückführungsanschluss selektiv mit dem zweiten Phaseneingang 216 koppeln. Ein fünftes Leistungsschaltmodul 210 kann konfiguriert sein, um einen DC-Bus-Leistungsanschluss selektiv mit einem dritten Phaseneingang 220 zu koppeln. Ein sechstes Leistungsschaltmodul 212 kann einen Gleichstrombus-Rückführungsanschluss selektiv mit dem dritten Phaseneingang 220 koppeln.
  • Die Leistungsschaltmodule können eine oder mehrere Leistungsschaltvorrichtungen umfassen. Zum Beispiel können die Leistungsschaltvorrichtungen Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder andere Halbleiterschaltvorrichtungen sein. Jedes der Leistungsschaltmodule kann einen zugehörigen Steuereingang (z. B. einen Gate-Eingang) zum Steuern des Betriebs des Leistungsschaltmoduls haben. Die Steuereingänge können elektrisch mit einer Steuerung gekoppelt sein, die konfiguriert ist, um die Leistungsschaltmodule zu betreiben. Jeder der Phaseneingänge der elektrischen Maschine 114 wird durch ein Paar von Leistungsschaltmodulen selektiv mit jedem Anschluss des Hochspannungs-Gleichstrombusses 214 oder den Traktionsbatterieanschlüssen gekoppelt. Die Leistungsschaltmodule können so betrieben werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt nur eines der beiden mit einem Phaseneingang gekoppelten Leistungsschaltmodule eingeschaltet wird. In einigen Konfigurationen kann eine Diode über die Leistungsschaltmodule gekoppelt sein.
  • Die Leistungsschaltvorrichtungen können zwei Anschlüsse umfassen, die den Hochleistungsstrom durch die Leistungsschaltvorrichtung handhaben. Beispielsweise umfasst ein IGBT einen Kollektoranschluss (C) und einen Emitteranschluss (E), und ein MOSFET umfasst einen Drain-Anschluss (D) und einen Source-Anschluss (S). Die Leistungsschaltvorrichtungen können ferner einen oder mehrere Steuereingänge umfassen. Beispielsweise kann die Leistungsschaltvorrichtung einen Gate-Anschluss (G) und einen Kelvin-Source/Emitter-Anschluss (K) enthalten. Die Anschlüsse G und K können eine Gate-Schleife aufweisen, um die Leistungsschaltvorrichtung zu steuern. Die Leistungsschaltvorrichtungen können ferner einen integrierten oder auf dem Chip befindlichen Stromsensor enthalten. Der integrierte Stromsensor kann eine Halbleiterzelle sein, die parallel zu der Leistungsschaltvorrichtung gekoppelt ist. Das Source/Emitter-Signal des integrierten Stromsensors kann an einen Strommessanschluss (SS) der Leistungsschaltvorrichtung gekoppelt sein. Der Strommessanschluss kann ein Signal bereitstellen, das den durch die Leistungsschaltvorrichtung fließenden Strom anzeigt.
  • Die Leistungsschaltmodule können so konfiguriert sein, dass sie einen Nennstrom fließen lassen und eine zugeordnete Nennleistung aufweisen. Einige Anwendungen können höhere Leistungs- und / oder Stromstärken für den ordnungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 114 erfordern. Die Leistungsschaltmodule können so ausgelegt sein, dass sie eine Leistungsschaltvorrichtung enthalten, die die gewünschte Nennleistung / den gewünschten Nennstrom handhaben kann. Die gewünschte Nennleistung / der gewünschte Nennstrom kann auch erreicht werden, indem Leistungsschaltvorrichtungen verwendet werden, die elektrisch parallel gekoppelt sind. Leistungsschaltvorrichtungen können elektrisch parallel gekoppelt sein und mit einem gemeinsamen Steuersignal gesteuert werden, so dass jede Leistungsschaltvorrichtung einen Teil des Gesamtstroms fließen lässt, der zur Last / von der Last weg fließt. Durch Parallelisieren der Schaltvorrichtungen kann das Leistungsmodul mit vorhandenen Komponenten ausgeführt werden, ohne dass eine Schaltvorrichtung mit höherer Nennleistung erforderlich ist.
  • Probleme können bei Anwendungen auftreten, bei denen Leistungsschaltvorrichtungen parallel gesteuert werden. Aufgrund von Variationen zwischen den Leistungsschaltvorrichtungen und der ungleichmäßigen Anordnung der Schaltkreise sind Sperrschichtkapazitäten und Streuinduktivitäten der Schaltkreise möglicherweise nicht in jedem Schaltungspfad gleich. Infolgedessen können transiente Schaltströme der parallel geschalteten Leistungsschaltvorrichtungen unsymmetrisch sein und unterschiedliche Kreisfrequenzen und - amplituden aufweisen. Ein Umlaufstrom zwischen den parallelen Leistungsschaltvorrichtungen kann erzeugt werden. Aufgrund der Sperrschichtkapazität der Leistungsschaltvorrichtung und der Streuinduktivitäten der Schaltkreise kann ein oszillierender Kreisstrom in der Gate-Schaltung der Leistungsschaltvorrichtungen auftreten. Der oszillierende Strom im Gate-Pfad bewirkt, dass sich die Sperrschichtkapazität auflädt und entlädt, was zu einer oszillierenden Gate-Spannung führt. Der Gate-Eingang der Leistungsschaltvorrichtung kann so konfiguriert sein, dass er einer zuvor festgelegten Spannung standhält. Gate-Spannungen, die die festgelegte Spannung überschreiten, können die Leistungsschaltvorrichtung beeinträchtigen. Leistungsschaltvorrichtungen, die zu schnelleren Schaltgeschwindigkeiten fähig sind (z. B. Siliciumcarbid-MOSFET), können während des parallelen Betriebs empfindlicher auf die asymmetrische Sperrschichtkapazität und die Streuinduktivität der Schaltung reagieren. Eine Lösung besteht darin, die Schaltgeschwindigkeit zu verringern, was zu höheren Schaltverlusten führt. Eine bevorzugte Methode, die Schwingungen zu reduzieren, besteht darin, sicherzustellen, dass die Gate-Spannung unter der vorgegebenen Spannung bleibt.
  • Um die Gate-Spannungsschwingung, die in parallelen Leistungsschaltvorrichtungen auftreten kann, zu beseitigen oder zu reduzieren, muss die Gate-Schleifenimpedanz groß genug sein, um den Schwingungsstrom zu dämpfen. Eine höhere Impedanz in der Gate-Schleife verringert jedoch den Gate-Strom während Schaltübergängen, was zu reduzierten Schaltgeschwindigkeiten und höheren Schaltverlusten führt. 3 zeigt ein Schaltbild eines Leistungsmoduls 300 mit parallelen Leistungsschaltvorrichtungen (z. B. MOSFETs) mit einer Gleichtaktdrossel in den Gate-Pfaden mit Strommessanschluss. Das Leistungsmodul 300 kann eine erste Leistungsschaltvorrichtung 301 und eine zweite Leistungsschaltvorrichtung 321 enthalten. Das Leistungsmodul 300 kann einen Drain-Anschluss 342 und einen Source-Anschluss 344 zum Anschließen an externe Schaltungen aufweisen. Der Drain-Anschluss 342 (oder der Kollektoranschluss für andere Technologien) und der Source-Anschluss 344 (oder der Emitteranschluss für andere Technologien) können in der Lage sein, hohe Ströme zu leiten, wie sie zum Betreiben einer elektrischen Maschine verwendet werden können.
  • Die erste Leistungsschaltvorrichtung 301 kann ein erstes Leistungsschaltelement 302 enthalten. Die zweite Leistungsschaltvorrichtung 321 kann ein zweites Leistungsschaltelement 322 enthalten. Drain-Anschlüsse des ersten Leistungsschaltelements 302 und des zweiten Leistungsschaltelements 322 können elektrisch mit dem Drain-Anschluss 342 gekoppelt sein. Die Kopplung für die erste Leistungsschaltvorrichtung 301 kann durch eine erste Drain-Streuinduktivität (LD1 ) 304 gekennzeichnet sein. Die Kopplung für die zweite Leistungsschaltvorrichtung 321 kann durch eine zweite Drain-Streuinduktivität (LD2 ) 324 gekennzeichnet sein. In dem dargestellten Beispiel sind die Leistungsschaltvorrichtungen MOSFETs. In einer Konfiguration, in der die Leistungsschaltvorrichtungen IGBTs sind, können die Kollektor- (C) und Emitteranschlüsse (E) mit den Drain- (D) und den Source-Anschlüssen (S) ausgetauscht werden.
  • Source-Anschlüsse des ersten Leistungsschaltelements 302 und des zweiten Leistungsschaltelements 322 können elektrisch mit dem Source-Anschluss 344 gekoppelt sein. Die Kopplung für die erste Leistungsschaltvorrichtung 301 kann durch eine erste Drain-Streuinduktivität (LS1 ) 314 gekennzeichnet sein. Die Kopplung für die zweite Leistungsschaltvorrichtung 321 kann durch eine zweite Source-Streuinduktivität (LS2 ) 334 gekennzeichnet sein.
  • Gate-Anschlüsse des ersten Leistungsschaltelements 302 und des zweiten Leistungsschaltelements 322 können elektrisch mit einer Gate-Treiberschaltung 340 gekoppelt sein. Die Kopplung für die erste Leistungsschaltvorrichtung 301 kann durch eine erste Gate-Streuinduktivität (LG1 ) 308 und einen ersten Gate-Widerstand (RG1 306) gekennzeichnet sein. Die Kopplung für die zweite Leistungsschaltvorrichtung 321 kann durch eine zweite Gate-Streuinduktivität (LG2 ) 328 und einen zweiten Gate-Widerstand (RG2 ) 326 gekennzeichnet sein. Die Gate-Treiberschaltung 340 kann eine integrierte Schaltung sein, die konfiguriert ist, um geeignete Gate-Signale für die Leistungsschaltvorrichtungen bereitzustellen. Die Gate-Treiberschaltung 340 kann sicherstellen, dass an die Gate-Eingänge die richtigen Spannungs- und Strompegel angelegt werden. Die Gate-Treiberschaltung 340 kann in das Leistungsmodul 300 integriert sein oder sich in einer externen Leiterplatte (PCB) befinden. Die Gate-Treiberschaltung 340 kann ein gemeinsames Gate-Signal an die Gate-Anschlüsse jeder der Leistungsschaltvorrichtungen liefern.
  • Gate-Anschlüsse des ersten Leistungsschaltelements 302 und des zweiten Leistungsschaltelements 322 können elektrisch mit einer Gate-Treiberschaltung 340 gekoppelt sein. Die Kopplung für die erste Leistungsschaltvorrichtung 301 kann durch eine erste Kelvin-Source-Streuinduktivität (LK1 ) 310 gekennzeichnet sein. Die Kopplung für die zweite Leistungsschaltvorrichtung 321 kann durch eine zweite Kelvin-Source-Streuinduktivität (LK2 ) 330 gekennzeichnet sein.
  • Die erste Leistungsschaltvorrichtung 301 kann ferner durch eine erste Kelvin-Source-zu-Source-Streuinduktivität (LKS1 ) 312 gekennzeichnet sein, die die Induktivität zwischen dem Kelvin-Source-Anschluss und dem Source-Anschluss ist. Die zweite Leistungsschaltvorrichtung 321 kann ferner durch eine zweite Kelvin-Source-zu-Source-Streuinduktivität (LKS2 ) 332 gekennzeichnet sein, die die Induktivität zwischen dem Kelvin-Source-Anschluss und dem Source-Anschluss ist. Nicht gezeigt sind die Übergangskapazitäten zwischen jedem der Anschlüsse der ersten und der zweiten Leistungsschaltvorrichtung (301, 321).
  • Die erste Leistungsschaltvorrichtung 301 kann eine erste Strommesszelle 350 enthalten, die parallel zum ersten Leistungsschaltelement 302 gekoppelt ist. Die erste Strommesszelle 350 und das erste Leistungsschaltelement 302 können durch dasselbe Gate-Signal angesteuert werden. Der durch die erste Strommesszelle 350 fließende Strom kann 1/n des durch das erste Leistungsschaltelement 302 fließenden Stroms betragen. Beispielsweise kann das erste Leistungsschaltelement 302 aus n-1 Schaltzellen bestehen, die parallel gekoppelt sind. Die erste Strommesszelle 350 kann eine ähnlich konfigurierte Schaltzelle sein. Der Source/Emitter der ersten Strommesszelle 350 kann mit einem ersten Strommessanschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 301 gekoppelt sein. Der erste Strommessanschluss kann mit der Gate-Treiberschaltung 340 gekoppelt sein. Die Kopplung kann durch eine erste Strommessstreuinduktivität (LSS1 ) 354 gekennzeichnet sein. In einigen Konfigurationen können der erste Strommessanschluss und der Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 301 elektrisch gekoppelt sein.
  • Die zweite Leistungsschaltvorrichtung 321 kann eine zweite Strommesszelle 352 enthalten, die parallel zum zweiten Leistungsschaltelement 322 gekoppelt ist. Die zweite Strommesszelle 352 und das zweite Leistungsschaltelement 322 können durch dasselbe Gate-Signal angesteuert werden. Der durch die zweite Strommesszelle 352 fließende Strom kann 1/n des durch das zweite Leistungsschaltelement 322 fließenden Stroms betragen. Beispielsweise kann das zweite Leistungsschaltelement 322 aus n-1 Schaltzellen bestehen, die parallel gekoppelt sind. Die zweite Strommesszelle 352 kann eine ähnlich konfigurierte Schaltzelle sein. Der Source/Emitter der zweiten Strommesszelle 352 kann mit einem zweiten Strommessanschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 321 gekoppelt sein. Der zweite Strommessanschluss kann mit der Gate-Treiberschaltung 340 gekoppelt sein. Die Kopplung kann durch eine zweite Strommessstreuinduktivität (Lss2 ) 356 gekennzeichnet sein. In einigen Konfigurationen können der erste Strommessanschluss und der Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 321 elektrisch gekoppelt sein.
  • Der erste und der zweite Strommessanschluss können verwendet werden, um eine Messung des durch das zugeordnete Leistungsschaltelement (z. B. 302, 322) fließenden Stroms bereitzustellen. Das Rückkopplungssignal kann zu verschiedenen Zwecken an eine Ansteuerschaltung mit niedrigem Energieverbrauch übertragen werden, beispielsweise als Überstromschutz.
  • Während des asymmetrischen Betriebs können die Gate-Spannungen an jedem der Leistungsschaltmodule unterschiedlich sein und oszillieren. Die Gate-Spannungen können als Spannung zwischen dem Gate-Anschluss und dem zugehörigen Kelvin-Source/EmitterAnschluss gemessen werden. In einigen Fällen kann die Spannungsschwingung die normale Gate-Einschaltspannung (z. B. 20 Volt) stark überschreiten. Die Leistungsschaltmodule können unter Umständen eine vorbestimmte maximale Gate-Spannung aufrechterhalten. Eine anhaltende Gate-Spannung über der vorbestimmten maximalen Gate-Spannung kann zu einer verringerten Betriebslebensdauer der Vorrichtung führen. Leistungsschaltmodule, die zu schnellen Schaltgeschwindigkeiten in der Lage sind (z. B. SiC-MOSFET), können während eines parallelen Betriebs empfindlich auf asymmetrische Sperrschichtkapazität und Schleifeninduktivität reagieren. Die gleichen Oszillationen können zu Spannungsschwingungen zwischen Gate- und Strommessanschluss führen. Da die Strommesszelle eine geringere Sperrschichtkapazität als die Hauptleistungsschaltvorrichtung aufweisen kann, kann sich die Strommesszelle vor den Hauptleistungsschaltzellen verschlechtern.
  • Das Leistungsmodul 300 kann ferner eine erste Gleichtaktdrossel (CM1) 316 enthalten, die den Gate-Pfad, den Strommesspfad und den Kelvin-Source-Pfad der ersten Leistungsschaltvorrichtung 301 magnetisch koppelt. Eine erste Wicklung 358 kann im Gate-Pfad gekoppelt sein. Der Gate-Pfad kann der Teil einer Schaltung zwischen der Gate-Treiberschaltung 340 und dem Gate-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 301 sein. Eine zweite Wicklung 360 kann in den Strommesspfad gekoppelt sein. Der Strommesspfad kann der Abschnitt einer Schaltung zwischen der Gate-Treiberschaltung 340 und dem Strommessanschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 301 sein. Eine dritte Wicklung 362 kann in den Kelvin-Source/Emitter-Pfad der ersten Leistungsschaltvorrichtung 301 gekoppelt sein. Der Kelvin-Source/Emitter-Pfad kann der Abschnitt einer Schaltung zwischen der Gate-Treiberschaltung 340 und dem Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 301 sein. Die Anzahl der Windungen für die erste Wicklung 358, die zweite Wicklung 360 und die dritte Wicklung 362 kann gleich sein, so dass jede Wicklung die gleiche Induktivität aufweist. Die Kopplungsrichtung kann der Abbildung in 3 entsprechen.
  • Das Leistungsmodul kann ferner eine zweite Gleichtaktdrossel (CM2) 336 enthalten, die den Gate-Pfad, den Strommesspfad und den Kelvin-Source-Pfad der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 321 magnetisch koppelt. Eine vierte Wicklung 364 kann in den Gate-Pfad gekoppelt sein. Der Gate-Pfad kann der Abschnitt einer Schaltung zwischen der Gate-Treiberschaltung 340 und dem Gate-Anschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 321 sein. Eine fünfte Wicklung 366 kann in den Strommesspfad gekoppelt sein. Der Strommesspfad kann der Abschnitt einer Schaltung zwischen der Gate-Treiberschaltung 340 und dem Strommessanschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 321 sein. Eine sechste Wicklung 368 kann in den Kelvin-Source/Emitter-Pfad der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 321 gekoppelt sein. Der Kelvin-Source/Emitter-Pfad kann der Abschnitt einer Schaltung zwischen der Gate-Treiberschaltung 340 und dem Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 321 sein. Die Anzahl der Windungen für die vierte Wicklung 364, die fünfte Wicklung 366 und die sechste Wicklung 368 kann gleich sein, so dass jede Wicklung die gleiche Induktivität aufweist. Die Kopplungsrichtung kann der Abbildung in 3 entsprechen.
  • Wenn das Spannungspotential zwischen den Kelvin-Source/Emitter-Anschlüssen der Leistungsschaltvorrichtungen unterschiedlich ist, entsteht der größte Teil des Spannungsabfalls zwischen über die dritte Wicklung 362 und sechste Wicklung 368 hinweg, statt über die erste Kelvin-Source-Streuinduktivität (LK1 ) 310 und zweite Kelvin-Source-Streuinduktivität (LK2 ) 330 hinweg. Der Grund dafür ist, dass der Induktivitätswert der dritten Wicklung 362 und der sechsten Wicklung 368 so gewählt werden kann, dass er viel höher ist als die Induktivitätswerte der ersten Kelvin-Source-Streuinduktivität (LK1 ) 310 und der zweiten Kelvin-Source-Streuinduktivität (LK2 ) 330. Die Spannung über die dritte Wicklung 362 hinweg kann induktiv mit der ersten Wicklung 358 und der zweiten Wicklung 360 gekoppelt sein. Die Spannung über die sechste Wicklung 368 hinweg kann induktiv mit der vierten Wicklung 364 und der fünften Wicklung 366 gekoppelt sein. Infolgedessen wird die Potentialdifferenz zwischen den Kelvin-Source/Emitter-Anschlüssen weder zum Gate-Pfad noch zum Strommesspfad addiert, und die Schwingungen der Gate-Spannung werden stark reduziert. Wenn der Wicklungsinduktivitätswert erhöht wird, kann die Spitzenspannung der Gate-Spannungsschwingung abnehmen. Die Gleichtaktdrosseln können so konfiguriert sein, dass ein Spannungsabfall über eine der magnetisch gekoppelten Wicklungen hinweg einen äquivalenten Spannungsabfall über die anderen magnetisch gekoppelten Wicklungen hinweg induziert.
  • 4 zeigt eine mögliche Konfiguration zum Implementieren der Gleichtaktdrosseln. Eine erste Leistungsmodulanordnung 400 kann eine erste Leistungsschaltvorrichtung 404 und eine zweite Leistungsschaltvorrichtung 402 enthalten. Die Leistungsschaltvorrichtungen können MOSFET, IGBT oder andere Festkörpervorrichtungen sein. Die erste Leistungsmodulanordnung 400 kann eine Leiterplatte (PCB) 406 enthalten. Die PCB 406 kann eine Mehrschicht-PCB mit Leiterbahnen sein, die in mehreren Schichten und/oder Oberflächen ausgebildet sind. Eine Gate-Treiberschaltung 408 kann an der PCB 406 montiert oder auf dieser implementiert sein. Die Gate-Treiberschaltung 408 kann eine oder mehrere integrierte oder diskrete Komponenten enthalten, die eine Gate-Treiberfunktion implementieren. Die PCB 406 kann Leiterbahnen zum Anschluss diskreter Komponenten und der Gate-Treiberschaltung 408 enthalten. Die erste Leistungsmodulbaugruppe 400 kann einen ersten Ringkern 410 enthalten. Die erste Leistungsmodulbaugruppe 400 kann eine erste Wicklung 412, eine zweite Wicklung 414 und eine dritte Wicklung 416 enthalten. Die erste Wicklung 412, die zweite Wicklung 414 und die dritte Wicklung 416 können um den ersten Ringkern 410 gewickelt sein, um eine erste Gleichtaktdrossel zu bilden. Ein Ende der ersten Wicklung 412 kann elektrisch mit dem Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 404 gekoppelt sein. Ein Ende der zweiten Wicklung 414 kann elektrisch mit dem Stromerfassungsanschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 404 gekoppelt sein. Ein Ende der dritten Wicklung 416 kann elektrisch mit dem Gate-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 404 gekoppelt sein.
  • Die erste Leistungsmodulbaugruppe 400 kann einen zweiten Ringkern 420 enthalten. Die erste Leistungsmodulbaugruppe 400 kann eine vierte Wicklung 422, eine fünfte Wicklung 424 und eine sechste Wicklung 426 enthalten. Die vierte Wicklung 422, die fünfte Wicklung 424 und die sechste Wicklung 426 können um den zweiten Ringkern 420 gewickelt sein, um eine zweite Gleichtaktdrossel zu bilden. Ein Ende der vierten Wicklung 422 kann elektrisch mit dem Strommessanschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 402 gekoppelt sein. Ein Ende der fünften Wicklung 424 kann elektrisch mit dem Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 402 gekoppelt sein. Ein Ende der sechsten Wicklung 426 kann elektrisch mit dem Gate-Anschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 402 gekoppelt sein. Die PCB 406 kann eine erste Leiterbahn 430 zum Verbinden des anderen Endes der ersten Wicklung 412 und der fünften Wicklung 424 mit der Gate-Treiberschaltung 408 enthalten. Die PCB 406 kann eine zweite Leiterbahn 432 zum Verbinden des anderen Endes der zweiten Wicklung 414 und der vierten Wicklung 422 mit der Gate-Treiberschaltung 408 enthalten. Die PCB 406 kann eine dritte Leiterbahn 434 zum Verbinden des anderen Endes der dritten Wicklung 416 und der sechsten Wicklung 426 mit der Gate-Treiberschaltung 408 enthalten. Die Gate-Treiberschaltung 408 kann konfiguriert sein, um ein externes Gate-Signal zu empfangen und ein gemeinsames Gate-Signal auszugeben, um jede der Leistungsschaltvorrichtungen anzusteuern. Die PCB 406 kann eine Leiterbahn und/oder einen Anschluss zum Ankoppeln an das externe Gate-Signal enthalten. Die PCB 406 kann zusätzliche Leistungsmodulstrukturen für zusätzliche Leistungsschaltvorrichtungen umfassen. Beispielsweise kann ein Wechselrichter eine Anzahl paralleler Leistungsschaltvorrichtungen zum Betreiben einer elektrischen Maschine enthalten. Die in 4 dargestellt Struktur kann auf einer gemeinsamen Leiterplatte wiederholt werden, um den Wechselrichter zu implementieren.
  • 5 zeigt eine mögliche Konfiguration für eine Gate-Loop-Gleichtaktdrossel (CM) 500. Die Gleichtaktdrossel 500 kann eine erste Wicklung 502, eine zweite Wicklung 504 und eine dritte Wicklung 510 umfassen. Die erste Wicklung 502, die zweite Wicklung 504 und die dritte Wicklung 510 können aus Kupferdrähten gebildet sein. Die Wicklungen können als Kupferbahnen in einem Leiterplatten- oder Substratmaterial 508 ausgebildet sein. Das Substratmaterial 508 kann aus mehreren Schichten bestehen. Zum Beispiel können die Wicklungen auf einer oder mehreren Oberflächen oder Ebenen des Substratmaterials 508 ausgebildet oder geätzt sein. Die erste Wicklung 502, die zweite Wicklung 504 und die dritte Wicklung 510 können sich in verschiedenen Ebenen oder in derselben Ebene des Substratmaterials 508 befinden. Wenn die erste Wicklung 502, die zweite Wicklung 504 und die dritte Wicklung 510 in unterschiedlichen Ebenen implementiert sind, können die Wicklungsmuster gleich sein, mit der Ausnahme, dass sich jede der Wicklungen an jedem Ende auf unterschiedliche Längen erstrecken kann, um eine Verbindung zu ermöglichen. Zusätzlich können Verbindungspunkte auf einer oder mehreren der Oberflächen vorgesehen sein, um eine Verbindung mit anderen Schaltungselementen zu ermöglichen. Wenn die erste Wicklung 502, die zweite Wicklung 504 und die dritte Wicklung 510 in derselben Ebene implementiert sind, können die Wicklungen konzentrisch angeordnet sein. Das heißt, eine Wicklung kann die anderen vollständig umgeben. Die Wickelrichtung und die Anzahl der Windungen können gleich sein, um die Gleichtaktdrossel 500 zu bilden. Die Gleichtaktdrossel 500 kann einen optionalen Kern 506 enthalten, der an einer durch die Wicklungen definierten zentralen Position eingefügt werden kann, um den LCM-Wert einzustellen. Zum Beispiel können größere LCM-Werte durch Einfügen eines Kerns 506 in die Wicklungen erreicht werden.
  • Die erste Wicklung 502, die zweite Wicklung 504 und die dritte Wicklung 510 können aus Drähten bestehen, die isoliert sind. Beispielsweise kann ein elektrisch isolierendes Material zwischen Drähte eingefügt werden oder die Oberfläche der Wicklung kann isoliert sein. Die Drähte können am Substratmaterial 508 angebracht sein. Die Wicklungen können Anschlüsse oder Verbindungspunkte enthalten, um elektrische Verbindungen zu anderen Schaltungselementen zu ermöglichen. Die erste Wicklung 502 kann einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss definieren, die an entgegengesetzten Enden der ersten Wicklung 502 angeordnet sind. Die zweite Wicklung 504 kann einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss definieren, die an entgegengesetzten Enden der zweiten Wicklung 504 angeordnet sind. Die dritte Wicklung 514 kann einen fünften Anschluss und einen sechsten Anschluss definieren, die an entgegengesetzten Enden der dritten Wicklung 510 angeordnet sind. Der erste Anschluss, der dritte Anschluss und der fünfte Anschluss können so konfiguriert sein, dass die Anschlüsse versetzt sind. Der zweite Anschluss, der vierte Anschluss und der sechste Anschluss können so konfiguriert sein, dass die Anschlüsse versetzt sind. Dadurch können die Verbindungen aus mindestens einer Richtung freigelegt werden, um die Verbindung mit anderen Komponenten zu ermöglichen. Das Substratmaterial 508 kann zusätzliche Leiterbahnen enthalten, um die Anschlüsse der Wicklungen zu einem geeigneten Ort zum Koppeln mit anderen Schaltungselementen zu führen.
  • 6 zeigt ein Leistungsmodul 600, das ein Paar Gleichtaktdrosseln ähnlich der in 5 dargestellten Gleichtaktdrossel 500 enthält. Das Leistungsmodul 600 kann eine erste Leistungsschaltvorrichtung 601 und eine zweite Leistungsschaltvorrichtung 604 enthalten, die mit einem Substrat 602 gekoppelt sind. Das Leistungsmodul 600 kann eine Gate-SignalLeiterbahn 630, eine Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 632 und eine Strommessleiterbahn 634 umfassen, die jeweils auf einer oder mehreren Oberflächen oder Ebenen des Substrats 602 ausgebildet sind. Das Leistungsmodul 600 kann einen externen Gate-Steueranschluss zum Bereitstellen eines Gate-Steuersignals enthalten. Eine Gate-Treiberschaltung 608 kann an Substrat 602 montiert sein und Anschlüsse, Kontakte oder Stifte aufweisen, die elektrisch mit den auf dem Substrat 602 ausgebildeten Leiterbahnen verbunden sein können. Die Gate-Treiberschaltung 608 kann eine Kombination aus diskreten und integrierten Komponenten enthalten. Die Gate-Treiberschaltung 608 kann konfiguriert sein, um ein externes Gate-Signal zu empfangen und ein gemeinsames Gate-Signal für die parallel geschalteten Leistungsschaltvorrichtungen auszugeben.
  • Das Leistungsmodul 600 kann magnetisch gekoppelte Gleichtaktdrosseln mit Wicklungen enthalten, die elektrisch zwischen jede Leistungsschaltvorrichtung und die Gate-, Strommess- und Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahnen gekoppelt sind. Eine der Wicklungen kann im Gate-Pfad elektrisch gekoppelt sein, um einen Gate-Eingang der Leistungsschaltvorrichtung mit einem gemeinsamen Gate-Signal zu verbinden. Eine der Wicklungen kann elektrisch in einem Kelvin-Source/Emitter-Pfad gekoppelt sein, um einen Kelvin-Source/Emitter-Ausgang der Schaltvorrichtung mit einem gemeinsamen Steuersignal zu verbinden. Eine der Wicklungen kann elektrisch in einem Strommesspfad gekoppelt sein, um einen Strommessausgang der Schaltvorrichtung mit einer Strommessleiterbahn zu verbinden.
  • Ein Gate-Eingang der ersten Leistungsschaltvorrichtung 601 kann elektrisch mit einer ersten Verbindung einer ersten Gleichtaktdrosselspule 620 gekoppelt sein. Ein Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 601 kann elektrisch mit einer ersten Verbindung einer zweiten Gleichtaktdrosselspule 622 gekoppelt sein. Ein Strommessanschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 601 kann elektrisch mit einer ersten Verbindung einer dritten Gleichtaktdrosselspule 624 gekoppelt sein. Eine zweite Verbindung der ersten Gleichtaktdrosselspule 620 kann elektrisch mit der Gate-Signalleiterbahn 630 gekoppelt sein. Eine zweite Verbindung der zweiten Gleichtaktdrosselspule 622 kann elektrisch mit der Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 632 gekoppelt sein. Eine zweite Verbindung der dritten Gleichtaktdrosselspule 624 kann elektrisch mit der Strommessleiterbahn 634 gekoppelt sein.
  • Ein Gate-Eingang der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 604 kann elektrisch mit einer ersten Verbindung einer vierten Gleichtaktdrosselspule 610 gekoppelt sein. Ein Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 604 kann elektrisch mit einer ersten Verbindung einer vierten Gleichtaktdrosselspule 612 gekoppelt sein. Ein Strommessanschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 604 kann elektrisch mit einer ersten Verbindung einer sechsten Gleichtaktdrosselspule 614 gekoppelt sein. Eine zweite Verbindung der vierten Gleichtaktdrosselspule 610 kann elektrisch mit der Gate-Signalleiterbahn 630 gekoppelt sein. Eine zweite Verbindung der fünften Gleichtaktdrosselspule 612 kann elektrisch mit der Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 632 gekoppelt sein. Eine zweite Verbindung der sechsten Gleichtaktdrosselspule 614 kann elektrisch mit der Strommessleiterbahn 634 gekoppelt sein.
  • Das Leistungsmodul 600 umfasst eine Gleichtaktdrossel, die die drei Schaltungspfade für jede Leistungsschaltvorrichtung (z. B. 601, 604), die parallel geschaltet ist, magnetisch koppelt. Das Beispiel zeigt nur zwei Leistungsschaltvorrichtungen, aber zusätzliche Leistungsschaltvorrichtungen können auf ähnliche Weise unter Verwendung zusätzlicher Gleichtaktdrosseln parallelgeschaltet werden. Das Leistungsmodul 600 kann in einem Gehäuse eingeschlossen sein, um die Schaltung und die Komponenten zu schützen. Die Leistungsschaltvorrichtungen können durch den externen Gate-Steueranschluss gesteuert werden. Das Hinzufügen der Gleichtaktdrosseln verhindert Schwingungen in den Gate-Signalen. Das Leistungsmodul 600 kann eine gemeinsame Steuerschnittstelle (Gate-, Kelvin-Source/Emitter- und Strommessanschlüsse) für die externe Umgebung darstellen. Durch die Integration der Gleichtaktdrosseln in das Leistungsmodul 600 können Gate-Spannungsschwingungen reduziert oder beseitigt werden. Die externe Schaltung kann auf die gleiche Weise mit dem Leistungsmodul 600 verbunden sein, unabhängig davon, wie viele parallele Leistungsschaltvorrichtungen in das Leistungsmodul 600 integriert sind.
  • Es sei angemerkt, dass das Leistungsmodul 600 eine beliebige Anzahl von Leistungsschaltvorrichtungen enthalten kann. Für einen Motorwechselrichter können zum Beispiel sechs Paare paralleler Schaltvorrichtungen verwendet werden, um die Phasenströme des Motors zu steuern. Das Substrat 602 kann so bemessen sein, dass es eine Schnittstelle zu sechs Paaren paralleler Leistungsschaltvorrichtungen enthält. Jedes parallele Paar von Leistungsschaltvorrichtungen kann eine Struktur implementieren, wie in 6 dargestellt. Die Steuerschnittstelle der Konfiguration von 6 kann einen externen Gate-Steueranschluss, einen externen Strommessanschluss und einen externen Kelvin-Source/Emitter-Anschluss enthalten. Der externe Gate-Steueranschluss, der externe Strommessanschluss und der externe Kelvin-Source/Emitter-Anschluss können jeweils mit der gemeinsamen Gate-Signalleiterbahn 630, der gemeinsamen Strommessleiterbahn 634 und der gemeinsamen Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 632 verbunden sein. In anderen Konfigurationen kann sich die Gate-Treiberschaltung 608 außerhalb des Substrats 602 befinden, und jede der Leistungsschaltvorrichtungen (z. B. 601, 604) kann mit separaten externen Gate-Steueranschlüssen, externen Strommess- und Kelvin-Source/-Emitter-Anschlüssen gekoppelt sein. Das heißt, die externe Schnittstelle zum Leistungsmodul kann einen Gate-Steuerungsanschluss, einen Strommessanschluss und einen Kelvin-Source/EmitterAnschluss für jede Leistungsschaltvorrichtung aufweisen, die im Leistungsmodul enthalten ist. Eine Verbindung zwischen den Gate-Steuerungsanschlüssen, den Strommessanschlüssen und den Kelvin-Source-/Emitter-Anschlüssen kann außerhalb des Leistungsmoduls hergestellt werden.
  • 7 zeigt ein Leistungsmodul 700, das eine erste Leistungsschaltvorrichtung 702 und eine zweite Leistungsschaltvorrichtung 704 umfasst. Das Leistungsmodul 700 kann ein Substrat 706 enthalten. Die erste Leistungsschaltvorrichtung 702 und die zweite Leistungsschaltvorrichtung 704 können mit dem Substrat 706 gekoppelt oder verbunden sein. Das Substrat 706 kann eine Gate-Signalleiterbahn 708, eine Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 710 und eine Strommessleiterbahn 712 umfassen. Die Gate-Signalleiterbahn 708, die Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 710 und die Strommessleiterbahn 712 können Kupferleiterbahnen sein, die in das Substrat 706 geätzt oder daran befestigt sind. Das Leistungsmodul 700 kann einen externen Gate-Steueranschluss, einen externen Kelvin-Source/Emitter-Anschluss und einen externen Strommessanschluss umfassen. Die externen Anschlüsse können elektrisch mit einer externen Gate-Treiberschaltung gekoppelt sein. Der externe Gate-Steuerungsanschluss kann über eine erste Drahtbond-Verbindung mit der Gate-Signalleiterbahn 708 gekoppelt sein. Der externe Kelvin-Source/Emitter-Anschluss kann über eine zweite Drahtbondverbindung mit der Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 710 gekoppelt sein. Der externe Strommessanschluss kann über eine dritte Drahtbondverbindung mit der Strommessspur 712 gekoppelt sein.
  • Das Leistungsmodul 700 kann ein oder mehrere Drosselsubstrate 720 umfassen, die als eine oder mehrere Leiterplatten realisiert sein können. Eine erste Wicklung 722, eine zweite Wicklung 724 und eine dritte Wicklung 726 können auf einer oder mehreren Schichten des Drosselsubstrats 720 ausgebildet sein. Die erste Wicklung 722, die zweite Wicklung 724 und die dritte Wicklung 726 können um einen zentralen Abschnitt herum konzentrische Wicklungen bilden, die einen Magnetkern 728 enthalten können. Die Gleichtaktdrossel kann als eine Vielzahl von konzentrischen Leiterbahnen auf dem Drosselsubstrat 720 um eine gemeinsame Achse herum ausgebildet sein. Beispielsweise können die erste Wicklung 722, die zweite Wicklung 724 und die dritte Wicklung 726 auf einer gemeinsamen Schicht des Drosselsubstrats 720 ausgebildet sein. Die Enden der ersten Wicklung 722, der zweiten Wicklung 724 und der dritten Wicklung 726 können Verbindungspunkte zum elektrischen Koppeln der Spulen mit den Anschlüssen der Leistungsschaltvorrichtungen und den Leiterbahnen des Substrats 706 aufweisen. Das Leistungsmodul 700 kann ein separates Drosselsubstrat 720 und zugehörige Wicklungen für jede der Leistungsschaltvorrichtungen enthalten. In einigen Konfigurationen können mehrere Sätze von Wicklungen auf einem einzigen Substrat implementiert sein.
  • Die Gate-Verbindung der ersten Leistungsschaltvorrichtung 702 kann über die erste Wicklung 722 der zugehörigen Gleichtaktdrossel mit der Gate-Signalleiterbahn 708 elektrisch gekoppelt sein. Die Kelvin-Source/Emitter-Verbindung der ersten Leistungsschaltvorrichtung 702 kann über die zweite Wicklung 724 der zugehörigen Gleichtaktdrossel elektrisch mit der Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 710 gekoppelt sein. Die Strommessverbindung der ersten Leistungsschaltvorrichtung 702 kann über die dritte Wicklung 726 der zugehörigen Gleichtaktdrossel mit der Strommessleiterbahn 712 elektrisch gekoppelt sein. Die Gate-Verbindung der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 704 kann über die erste Wicklung 722 der zugehörigen Gleichtaktdrossel mit der Gate-Signalleiterbahn 708 elektrisch gekoppelt sein. Die Kelvin-Source/Emitter-Verbindung der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 704 kann über die zweite Wicklung 724 der zugehörigen Gleichtaktdrossel elektrisch mit der Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 710 gekoppelt sein. Die Strommessverbindung der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 704 kann über die dritte Wicklung 726 der zugehörigen Gleichtaktdrossel mit der Strommessleiterbahn 712 elektrisch gekoppelt sein. Das Leistungsmodul 700 kann in einem Gehäuse eingeschlossen sein, so dass eine einzige integrierte Komponente definiert wird.
  • In einigen Konfigurationen kann das Drosselsubstrat 720 eine mehrschichtige Leiterplatte sein. Die erste Wicklung 722, die zweite Wicklung 724 und die dritte Wicklung 726 können als Leiterbahnen in verschiedenen Ebenen oder Oberflächen des Drosselsubstrats 720 implementiert sein. Das Drosselsubstrat 720 kann an dem Substrat 706 angebracht sein.
  • Die Leistungsmodule können mit direktgebundenen Kupfersubstraten (DBC) integriert werden. 8 zeigt ein mögliches Leistungsmodul 800 basierend auf einer DBC-Struktur. Das Leistungsmodul 800 kann Gleichtaktdrosseln in den Gate-, Strommess- und Kelvin-Source/Emitter-Pfaden von jeder der parallel geschalteten Leistungsschaltvorrichtungen enthalten. Die Gleichtaktdrosseln können als integraler Bestandteil der DBC-Struktur implementiert sein. Das Leistungsmodul 800 kann eine unterste Kupferschicht 806 enthalten. Direkt über der untersten Kupferschicht 806 kann sich eine Keramikschicht 808 befinden. Mit der Keramikschicht kann eine Leistungs-/Signalkupferschicht 810 gekoppelt sein. Eine erste Leistungsschaltvorrichtung 802 und eine zweite Leistungsschaltvorrichtung 804 können mit der Leistungs-/Signalkupferschicht 810 gekoppelt sein.
  • Die Leistungs-/Signalkupferschicht 810 kann eine Gate-Signalleiterbahn 813, eine Strommessleiterbahn 812 und eine Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 814 enthalten, die in die Leistungs-/Signalkupferschicht 810 geätzt oder dort auf andere Weise ausgebildet sein kann. Gleichtaktdrosseln können durch Ätzen von Wicklungen in die Leistungs-/Signalkupferschicht 810 definiert sein. Beispielsweise können eine erste äußere Wicklung 821, eine erste mittlere Wicklung 820 und eine erste innere Wicklung 822 in die Leistungs-/Signalkupferschicht 810 geätzt oder dort auf andere Weise ausgebildet sein. Die erste äußere Wicklung 821 kann an einem ersten Ende elektrisch mit der Gate-Signalleiterbahn 813 und an einem zweiten Ende mit einem Gate-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 802 gekoppelt sein. Die erste innere Wicklung 822 kann an einem ersten Ende elektrisch mit der Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 814 und an einem zweiten Ende mit einem Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 802 gekoppelt sein. Die erste mittlere Wicklung 820 kann an einem ersten Ende elektrisch mit der Strommessleiterbahn 812 und an einem zweiten Ende mit einem Strommessanschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 802 gekoppelt sein. Die elektrischen Kopplungen können über Drahtbondverbindungen erfolgen. Die elektrischen Kopplungen können auch durch zusätzliche Leiterbahnen erreicht werden, die zwischen den Verbindungen geführt sind. Die erste äußere Wicklung 821, die erste mittlere Wicklung 820 und die erste innere Wicklung 822 können derart definiert sein, dass die die Wicklungen definierenden Leiterbahnen voneinander isoliert sind. Die Wicklungen können in einem quadratischen/rechteckigen Muster ausgebildet sein. Die Wicklungen können auch in einem kreisförmigen Muster ausgebildet sein. Ein optionaler erster Kern 824 kann an einer zentralen Position eingefügt werden, die durch die erste äußere Spule 821, die erste mittlere Spule 820 und die erste innere Spule 822 definiert ist, um einen gewünschten LCM -Wert zu erreichen. Eine zweite äußere Wicklung 827, eine zweite mittlere Wicklung 826 und eine zweite innere Wicklung 828 können in die Leistungs-/Signalkupferschicht 810 geätzt sein. Die zweite äußere Wicklung 827 kann an einem ersten Ende elektrisch mit der Gate-Signalleiterbahn 813 und an einem zweiten Ende mit einem Gate-Anschluss der zweiten Leistungsschaltvorrichtung 804 gekoppelt sein. Die erste innere Wicklung 828 kann an einem ersten Ende elektrisch mit der Kelvin-Source/Emitter-Leiterbahn 814 und an einem zweiten Ende mit einem Kelvin-Source/Emitter-Anschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 804 gekoppelt sein. Die zweite mittlere Wicklung 826 kann an einem ersten Ende elektrisch mit der Strommessleiterbahn 812 und an einem zweiten Ende mit einem Strommessanschluss der ersten Leistungsschaltvorrichtung 804 gekoppelt sein. Die elektrischen Kopplungen können über Drahtbondverbindungen erfolgen. Die elektrischen Kopplungen können auch durch zusätzliche Leiterbahnen erreicht werden, die zwischen den Verbindungen geführt sind. Ein optionaler zweiter Kern 830 kann an einer zentralen Position eingefügt werden, die durch die zweite äußere Wicklung 827, die zweite mittlere Wicklung 826 und die zweite innere Wicklung 828 definiert wird, um einen gewünschten LCM -Wert zu erreichen.
  • Das Leistungsmodul 800 kann einen externen Gate-Anschluss 817, einen externen Strommessanschluss 818 und einen externen Kelvin-Source/Emitter-Anschluss 816 zum Verbinden mit anderen Schaltungen umfassen. Zum Beispiel können die externen Anschlüsse mit einer Gate-Treiberschaltung verbunden sein. Das Leistungsmodul 800 kann in einem Gehäuse eingeschlossen sein.
  • In einigen Konfigurationen sind die Leistungsschaltvorrichtungen nicht in einem einzelnen Leistungsmodul kombiniert. Stattdessen können einzelne Leistungsschaltvorrichtungen über externe Verbindungen parallelgeschaltet sein. Leistungsanschlüsse jeder Leistungsschaltvorrichtung können über Sammelschienen verbunden sein. Steueranschlüsse können an einer Gate-Treiberplatine angeschlossen sein. Für diese Konfigurationen kann auch eine Gleichtaktdrossel implementiert werden.
  • In jeder der Konfigurationen kann die Gleichtaktdrossel so konfiguriert sein, dass eine Anzahl von Windungen von jeder der magnetisch gekoppelten Wicklungen gleich ist. Eine Induktivität jeder der magnetisch gekoppelten Wicklungen kann größer sein als eine Streuinduktivität in einer zugehörigen Verbindung.
  • Die Konfigurationen können auf einen Wechselrichter (Leistungselektronikmodul) angewendet werden, um eine elektrische Maschine in einem Fahrzeug anzutreiben. Der Wechselrichter kann eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen umfassen, die durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden und elektrisch parallel zwischen einer Wicklung einer elektrischen Maschine und einem Batterieanschluss gekoppelt sind, und eine Gleichtaktdrossel, die jeder der Schaltvorrichtungen zugeordnet ist und eine Gate-Schaltung, eine Strommessschaltung und eine Kelvin-Source/Emitter-Schaltung, die den Schaltvorrichtungen zugeordnet sind, magnetisch koppelt.
  • Ein Vorteil des Hinzufügens der Gleichtaktdrossel in der Gate-, Strommess- und Kelvin-Source/Emitter-Schaltung besteht darin, dass Schwingungen verhindert werden, die übermäßige Gate-Spannungen verursachen können. Durch Einbauen der Drossel in den Strommesspfad werden außerdem Schwingungen reduziert, die die Strommessschaltung verschlechtern können. Der Vorteil kann erzielt werden, ohne die Schaltübergangszeit und den mit dem Leistungshalbleiter verbundenen Schaltverlust zu erhöhen. Die Gate-Ansteuerschleife hat einen kleinen Strom, so dass zusätzliche Verluste, die durch die Gleichtaktdrossel verursacht werden, vernachlässigbar sind. Die hier beschriebenen Gleichtaktdrosseln können innerhalb des Leistungsmoduls oder auf der Gate-Treiberplatine implementiert werden, was Möglichkeiten zur Kostensenkung bietet. Die Implementierungen innerhalb des Leistungsmoduls verwenden vorhandene Strukturen und haben begrenzte Auswirkungen auf die Struktur und das Volumen des Leistungsmoduls. Der LCM -Wert kann während der Konstruktionsphase leicht eingestellt werden, um einen gewünschten Wert zu erreichen. Durch das Hinzufügen der Gleichtaktdrosseln für jeden Leistungshalbleiter können mehrere Leistungshalbleiter ohne Schwingungen in den Gate-Spannungen parallelgeschaltet werden. Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein/davon umgesetzt werden, die/der eine beliebige bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann. In ähnlicher Weise können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert werden, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen, darunter unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa ROM-Vorrichtungen, gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und sonstigen magnetischen und optischen Medien, gespeichert sind, ausführbar sind. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können ferner in einem von Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie zum Beispiel anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Anordnungen (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, ausgeführt sein.
  • Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, welche durch die Ansprüche umfasst sind. Stattdessen sind die in der Beschreibung verwendeten Worte eher Worte der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder dargestellt werden können. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben sein können, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können unter anderem Folgendes beinhalten: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsmodul bereitgestellt, das eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen aufweist, die elektrisch parallel gekoppelt sind und durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden, wobei jede einen Gate-Anschluss, einen Strommessanschluss und einen Kelvin-Source/Emitter-Anschluss umfasst; und eine Vielzahl von magnetisch gekoppelten Wicklungen, die den Gate-Anschluss, den Strommessanschluss und den Kelvin-Source/Emitter-Anschluss von jeder der Schaltvorrichtungen mit einer Gate-Treiberschaltung verbinden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine Anzahl von Windungen von jeder der magnetisch gekoppelten Wicklungen gleich.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind der Strommessanschluss und der Kelvin-Source/EmitterAnschluss miteinander gekoppelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine Induktivität jeder der magnetisch gekoppelten Wicklungen größer als eine Streuinduktivität in einer zugehörigen Verbindung.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine erste der magnetisch gekoppelten Wicklungen elektrisch zwischen den Gate-Anschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet, eine zweite der magnetisch gekoppelten Wicklungen elektrisch zwischen den Strommessanschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet und eine dritte der magnetisch gekoppelten Wicklungen elektrisch zwischen den Kelvin-Source/Emitter-Anschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet.
  • Gemäß einer Ausführungsform induziert ein Spannungsabfall über eine der magnetisch gekoppelten Wicklungen hinweg einen äquivalenten Spannungsabfall über die verbleibenden magnetisch gekoppelten Wicklungen hinweg.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Leistungsmodul eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen, die durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden, zwischen einer Wicklung einer elektrischen Maschine und einem Batterieanschluss elektrisch parallel gekoppelt sind und an einem Substrat befestigt sind, das erste, zweite und dritte Leiterbahnen umfasst, die um eine gemeinsame Achse herum ausgebildet sind, um eine Gleichtaktdrossel zu bilden, die einen Gate-Pfad, einen Strommesspfad und einen Kelvin-Source/Emitter-Pfad von jeder der Schaltvorrichtungen magnetisch koppelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform bildet eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen eine Wicklung im Gate-Pfad, der einen Gate-Eingang der Schaltvorrichtungen mit dem gemeinsamen Gate-Signal verbindet.
  • Gemäß einer Ausführungsform bildet eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen eine Wicklung im Kelvin-Source/Emitter-Pfad, der einen Kelvin-Source/Emitter-Ausgang der Schaltvorrichtungen mit einem gemeinsamen Steuersignal verbindet.
  • Gemäß einer Ausführungsform bildet eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen eine Wicklung im Strommesspfad, der einen Strommessausgang der Schaltvorrichtungen mit einem gemeinsamen Steuersignal verbindet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine Anzahl von Windungen der ersten, zweiten und dritten Leiterbahn gleich.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die oben genannte Erfindung ferner durch einen Magnetkern gekennzeichnet, der an einer zentralen Position eingefügt ist, die durch die erste, zweite und dritte Leiterbahn definiert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die erste, zweite und dritte Leiterbahn als Kupferbahnen auf den jeweiligen Ebenen des Substrats ausgebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die erste, zweite und dritte Leiterbahn in derselben Schicht des Substrats ausgebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die erste, zweite und dritte Leiterbahn in verschiedenen Schichten des Substrats ausgebildet.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einem Wechselrichter mit einer Vielzahl von Schaltvorrichtungen, die durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden und elektrisch parallel zwischen einer Wicklung einer elektrischen Maschine und einem Batterieanschluss gekoppelt sind, und einer Gleichtaktdrossel, die jeder der Schaltvorrichtungen zugeordnet ist, und eine Gate-Schaltung, eine Strommessschaltung und eine Kelvin-Source/Emitter-Schaltung, die den Schaltvorrichtungen zugeordnet sind, magnetisch koppelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform haben mit jeder Wicklung der Gleichtaktdrossel verbundene Induktivitäten einen äquivalenten Induktivitätswert.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Gleichtaktdrossel so konfiguriert, dass ein Spannungsabfall über eine Wicklung der Gleichtaktdrossel hinweg einen äquivalenten Spannungsabfall über die anderen Wicklungen der Gleichtaktdrossel hinweg induziert. Gemäß einer Ausführungsform ist die Gleichtaktdrossel als eine Vielzahl von konzentrischen Leiterbahnen auf einem Substrat um eine gemeinsame Achse herum ausgebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Gleichtaktdrossel kann als eine Vielzahl von Leiterbahnen ausgebildet, die jeweils um eine gemeinsame Achse auf einer anderen Schicht eines Substrats ausgebildet sind.

Claims (15)

  1. Leistungsmodul, umfassend: eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen, die elektrisch parallel gekoppelt sind und durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden, wobei jedes einen Gate-Anschluss, einen Strommessanschluss und einen Kelvin-Source/Emitter-Anschluss umfasst; und eine Vielzahl von magnetisch gekoppelten Wicklungen, die den Gate-Anschluss, den Strommessanschluss und den Kelvin-Source/Emitter-Anschluss von jeder der Schaltvorrichtungen mit einer Gate-Treiberschaltung verbinden.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl von Windungen von jeder der magnetisch gekoppelten Wicklungen gleich ist.
  3. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei der Strommessanschluss und der Kelvin-Source/Emitter-Anschluss miteinander gekoppelt sind.
  4. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei eine Induktivität jeder der magnetisch gekoppelten Wicklungen größer ist als eine Streuinduktivität in einer zugehörigen Verbindung.
  5. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei eine erste der magnetisch gekoppelten Wicklungen elektrisch zwischen den Gate-Anschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet ist, eine zweite der magnetisch gekoppelten Wicklungen elektrisch zwischen den Strommessanschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet ist und eine dritte der magnetisch gekoppelten Wicklungen elektrisch zwischen den Kelvin-Source/EmitterAnschluss und die Gate-Treiberschaltung geschaltet ist.
  6. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei ein Spannungsabfall über eine der magnetisch gekoppelten Wicklungen hinweg einen äquivalenten Spannungsabfall über die verbleibenden magnetisch gekoppelten Wicklungen hinweg induziert.
  7. Leistungsmodul, umfassend: eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen, die durch ein gemeinsames Gate-Signal ausgelöst werden, zwischen einer Wicklung einer elektrischen Maschine und einem Batterieanschluss elektrisch parallel gekoppelt sind und an einem Substrat befestigt sind, das eine erste, zweite und dritte Leiterbahn umfasst, die um eine gemeinsame Achse herum ausgebildet sind, um eine Gleichtaktdrossel zu bilden, die einen Gate-Pfad, einen Strommesspfad und einen Kelvin-Source/Emitter-Pfad von jeder der Schaltvorrichtungen magnetisch koppelt.
  8. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen eine Wicklung im Gate-Pfad bildet, der einen Gate-Eingang der Schaltvorrichtungen mit dem gemeinsamen Gate-Signal verbindet.
  9. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei die eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen eine Wicklung im Kelvin-Source/Emitter-Pfad bildet, der einen Kelvin-Source/Emitter-Ausgang der Schaltvorrichtungen mit einem gemeinsamen Steuersignal verbindet.
  10. Leistungsmodul aus Anspruch 7, wobei eine der ersten, zweiten oder dritten Leiterbahnen eine Wicklung im Strommesspfad bildet, der einen Strommessausgang der Schaltvorrichtungen mit einem gemeinsamen Steuersignal verbindet.
  11. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei einige Windungen der ersten, zweiten und dritten Leiterbahn gleich sind.
  12. Leistungsmodul nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Magnetkern, der an einer zentralen Position eingefügt ist, die durch die erste, zweite und dritte Leiterbahn definiert ist.
  13. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei die erste, zweite und dritte Leiterbahn als Kupferspuren auf den jeweiligen Ebenen des Substrats ausgebildet sind.
  14. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei die erste, zweite und dritte Leiterbahn in derselben Schicht des Substrats ausgebildet sind.
  15. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei die erste, zweite und dritte Leiterbahn in verschiedenen Schichten des Substrats ausgebildet sind.
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