DE102019215724A1 - Power module for operating an electric vehicle drive with increased immunity to interference - Google Patents

Power module for operating an electric vehicle drive with increased immunity to interference Download PDF

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Abstract

Leistungsmodul (10) für ein Steuergerät (20) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend eine Brückenschaltung (14), die zum Erzeugen einer Ausgangsleistung basierend auf einer Eingangsleistung ansteuerbar ist, wobei die Brückenschaltung (14) einen Leistungsschalter (142) aufweist, der ein erstes Schaltelement (1422) und ein zweites Schalterelement (1424) umfasst, wobei das erste Schaltelement (1422) ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke aufweist, wobei das zweite Schaltelement (1424) ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke aufweist, die kleiner ist als die erste Bandlücke, wobei der Leistungsschalter (142) von einem Kühler (18) durch eine Isolierschicht (146) beabstandet ist, wobei die Isolierschicht (146) in einem dem ersten Schaltelement (1422) zugeordneten ersten Bereich (1462) eine andere Dielektrizitätskonstante und/oder Dicke als in einem dem zweiten Schaltelement (1424) zugeordneten zweiten Bereich (1464) hat.Power module (10) for a control device (20) for operating an electric vehicle drive, comprising a bridge circuit (14) which can be controlled to generate an output power based on an input power, the bridge circuit (14) having a power switch (142) having a first Switching element (1422) and a second switch element (1424), wherein the first switching element (1422) comprises a first semiconductor material with a first band gap, wherein the second switching element (1424) comprises a second semiconductor material with a second band gap which is smaller than the first band gap, the circuit breaker (142) being spaced apart from a cooler (18) by an insulating layer (146), the insulating layer (146) having a different dielectric constant and / or in a first region (1462) assigned to the first switching element (1422) Thickness than in a second area (1464) assigned to the second switching element (1424).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der halbleiterbasierten Leistungsmodule. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, bei dem zwei Halbleitermaterialien verschiedener Bandlücken in einer Brückenschaltung eingesetzt werden.The present invention relates to the field of semiconductor-based power modules. In particular, the present invention relates to a power module for operating an electric vehicle drive, in which two semiconductor materials with different band gaps are used in a bridge circuit.

TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND

Leistungsmodule, die auf Halbleiterbauteilen basieren, kommen in einer Vielzahl von Anwendungen in der Leistungselektronik zum Einsatz. Heutige Leistungsmodule wie zum Beispiel High Power IGBT Module bestehen aus einer großen Anzahl von komplexen Bauelementen, die wiederum mittels aufwändiger Verfahren einzeln hergestellt und zusammengesetzt sind.Power modules based on semiconductor components are used in a variety of applications in power electronics. Today's power modules such as high power IGBT modules consist of a large number of complex components, which in turn are individually manufactured and assembled using complex processes.

Derartige Leistungsmodule werden beispielsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Inverter) eingesetzt. Der Inverter dient dazu, basierend auf einer DC-Eingangsleistung, insbesondere einem DC-Strom, eine AC-Ausgangsleistung, insbesondere einen AC-Strom bzw. einen mehrphasigen Wechselstrom, zu erzeugen. Hierzu umfasst das Leistungsmodul eine Brückenschaltung, etwa eine Halbbrücke, die einen Highside-Schalter (HS-Schalter) und einen Lowside-Schalter (LS-Schalter) umfasst. Der HS-Schalter und der LS-Schalter werden abgewechselt ein- bzw. ausgeschaltet, sodass der Laststrom stets nur durch einen der beiden Leistungsschalter fließt. Somit wird eine Pulsweitenmodulation (PWM) am Laststrom durchgeführt um einen sinusförmigen Stromverlauf zu realisieren.Such power modules are used, for example, in a DC / AC inverter. The inverter is used to generate an AC output power, in particular an AC current or a polyphase alternating current, based on a DC input power, in particular a DC current. For this purpose, the power module comprises a bridge circuit, for example a half-bridge, which comprises a high-side switch (HS switch) and a low-side switch (LS switch). The HS switch and the LS switch are alternately switched on and off so that the load current only ever flows through one of the two circuit breakers. Pulse width modulation (PWM) is therefore carried out on the load current in order to achieve a sinusoidal current curve.

Damit die PWM mit hinreichender Genauigkeit durchführbar ist, spielen die Eigenschaften der Leistungsschalter eine wichtige Rolle. Insbesondere ist es von hoher Bedeutung, dass die Leistungsschalter hinreichend schnell schaltbar sind bzw. eine hinreichend kurze Schaltzeit aufweisen. Dies ist bei den Leistungsschaltern, die auf konventionellen Leistungshalbleitern (wie Silizium) nur bedingt möglich.The properties of the circuit breakers play an important role so that the PWM can be carried out with sufficient accuracy. In particular, it is of great importance that the circuit breakers can be switched sufficiently quickly or have a sufficiently short switching time. This is only possible to a limited extent with circuit breakers that are based on conventional power semiconductors (such as silicon).

Dahingegen bieten sogenannte Wide Bandgap Semiconductors (Halbleiter mit großen Bandlücken) wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumcarbid (SiC) den Vorteil, dass Leistungsschalter, die auf solchen Halbleitermaterialien basieren, wesentlich kürzere Schaltzeiten aufweisen und daher ein verbessertes Schaltverhalten ermöglichen.In contrast, so-called wide bandgap semiconductors (semiconductors with large band gaps) such as gallium nitride (GaN) and silicon carbide (SiC) offer the advantage that power switches based on such semiconductor materials have significantly shorter switching times and therefore enable improved switching behavior.

Das schnelle Schalten der Leistungshalbleiter ist jedoch mit einem Nachteil verbunden: hochfrequente Stromfluktuationen spielen zunehmend eine Rolle und führen zur Beeinträchtigung der Funktionalitäten. Daher ist es wichtig, solche hochfrequenten Stromfluktuationen zu reduzieren oder deren Effekte zu minimieren.However, the rapid switching of the power semiconductors is associated with a disadvantage: high-frequency current fluctuations play an increasingly important role and lead to the impairment of functionalities. It is therefore important to reduce such high-frequency current fluctuations or to minimize their effects.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Effekte hochfrequenter Stromfluktuationen im Leistungsmodul bei gleichzeitiger kurzer Schaltzeit zu minimieren.The invention is therefore based on the object of minimizing the effects of high-frequency current fluctuations in the power module with a simultaneous short switching time.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, ein Steuergerät gemäß Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8.The object is achieved by a power module according to claim 1, a control device according to claim 7 and by a method according to claim 8.

Das Leistungsmodul ist beispielsweise ein IGBT-Modul und kann für oberflächenmontierte Bauelemente (Engl.: Surface Mounted Devices, SMD) eingesetzt werden. Das Leistungsmodul findet vorzugsweise Anwendung in einem Fahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Im Bereich der Elektromobilität kann das erfindungsgemäße Leistungsmodul in 48V-, 400V- und/oder 800V-Anwendungen Einsatz finden.The power module is, for example, an IGBT module and can be used for surface-mounted components (SMD). The power module is preferably used in a vehicle, in particular an electric vehicle or a hybrid vehicle. In the field of electromobility, the power module according to the invention can be used in 48V, 400V and / or 800V applications.

Die Brückenschaltung ist die mittels einer Steuereinheit zum Erzeugen einer Ausgangsleistung basierend auf einer Eingangsleistung betreibbar ist. Die Brückenschaltung ist vorzugsweise eine Halbbrücke, die zwei Leistungsschalter bestehend aus einem HS-Schalter und einem LS-Schalter aufweist. Zumindest einer der beiden Leistungsschalter, vorzugsweise beide Leistungsschalter weisen ein erstes Schaltelement und ein zweites Schalterelement auf. Vorzugsweise sind beide Schaltelemente zueinander reihengeschaltet. Das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement weisen vorzugsweise jeweils einen Transistor auf. Beispielsweise kann es sich beim ersten Schaltelement um einen HEMT (High-Electron-Mobility-Transistor) und/oder beim zweiten Schaltelement um einen MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) handeln.The bridge circuit is operable by means of a control unit to generate an output power based on an input power. The bridge circuit is preferably a half bridge which has two power switches consisting of a HS switch and an LS switch. At least one of the two circuit breakers, preferably both circuit breakers, have a first switching element and a second switching element. Both switching elements are preferably connected in series with one another. The first switching element and the second switching element preferably each have a transistor. For example, the first switching element can be a HEMT (high electron mobility transistor) and / or the second switching element can be a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor).

Das erste Schaltelement weist ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke auf. Das zweite Schaltelement weist ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke auf, die kleiner ist als die erste Bandlücke. Somit basieren beide Schaltelemente auf zwei verschiedenen Halbleitermaterialien, deren Bandlücken verschieden sind.The first switching element has a first semiconductor material with a first band gap. The second switching element has a second semiconductor material with a second band gap which is smaller than the first band gap. Both switching elements are therefore based on two different semiconductor materials whose band gaps are different.

Im erfindungsgemäßen Steuergerät zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, etwa eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, ist ein Leistungsmodul gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen eingebaut. Das Steuergerät kann einen DC/AC-Wechselrichter (Inverter), einen AC/DC-Gleichrichter (Konverter) oder ein anderer Wandler zur Leistungsumwandlung umfassen. Das Steuergerät, insbesondere das darin verbaute Leistungsmodul, ist vorzugsweise durch eine elektronische Steuer- oder Regeleinheit (engl. ECU = Electronic Control Unit) ansteuerbar. Das Steuergerät kann vorzugsweise drahtlos, etwa über BlueTooth, Infrarot, Nahfeld-Kommunikation (Engl.: NFC), Funk, Internet, Intranet, Cloud-Systeme und/oder verdrahtete Systeme mit einer externen Entität oder einem im Fahrzeug befindlichen Terminal kommunizieren.A power module according to the embodiments described here is installed in the control device according to the invention for operating an electric drive of a vehicle, for example an electric vehicle or a hybrid vehicle. The control device can comprise a DC / AC inverter (inverter), an AC / DC rectifier (converter) or another converter for power conversion. The control unit, especially the one built into it Power module is preferably controllable by an electronic control or regulation unit (ECU = Electronic Control Unit). The control device can communicate preferably wirelessly, for example via BlueTooth, infrared, near-field communication (NFC), radio, internet, intranet, cloud systems and / or wired systems with an external entity or a terminal located in the vehicle.

Das Steuergerät umfasst ferner einen Kühler, der dazu dient, die aufgrund der hohen in die Leistungsschalter eingespeisten Leistung entstehende Wärme zu absorbieren. Das Leistungsmodul wird mit dem Kühler mittels einer Isolierschicht in thermischen Kontakt gebracht. Die Isolierschicht kann vorzugsweise eine Keramikschicht umfassen. Das Steuergerät kann ferner einen Zwischenkreiskondensator umfassen, der zur Brückenschaltung parallelgeschaltet ist und dazu dient, hochfrequente Spannungsfluktuationen auszufiltern („glätten“).The control unit also includes a cooler, which is used to absorb the heat generated due to the high power fed into the circuit breaker. The power module is brought into thermal contact with the cooler by means of an insulating layer. The insulating layer can preferably comprise a ceramic layer. The control device can furthermore comprise an intermediate circuit capacitor which is connected in parallel to the bridge circuit and serves to filter out (“smooth”) high-frequency voltage fluctuations.

Die Isolierschicht ist derart aufgebaut, dass sie in einem dem ersten Schaltelement zugeordneten ersten Bereich eine andere Dielektrizitätskonstante und/oder Dicke als in einem dem zweiten Schaltelement zugeordneten zweiten Bereich hat. Auf diese Weise ist eine für den Gesamtbereich des bzw. der Leistungsschalter einheitlich aufgebaute Isolierschicht nicht erforderlich. Vielmehr kann je nach verwendetem Halbleitermaterial die Dielektrizitätskonstante bzw. Dicke der Isolierschicht angepasst und optimiert werden. Vorteilhafterweise ist auf diese Weise die Ausgangskapazität des Leistungsmoduls reduziert, sodass die Gesamtimpedanz des Leistungsmoduls vergrößert wird. Dies erschwert eine Übertragung hochfrequenter Leistungsfluktuationen vom Leistungsausgang auf den Leistungseingang des Leistungsmoduls. Die Störfestigkeit des Leistungsmoduls wird daher gesteigert.The insulating layer is constructed in such a way that it has a different dielectric constant and / or thickness in a first area assigned to the first switching element than in a second area assigned to the second switching element. In this way, an insulating layer that is uniformly constructed for the entire area of the circuit breaker (s) is not required. Rather, depending on the semiconductor material used, the dielectric constant or thickness of the insulating layer can be adapted and optimized. In this way, the output capacitance of the power module is advantageously reduced, so that the total impedance of the power module is increased. This makes it difficult to transfer high-frequency power fluctuations from the power output to the power input of the power module. The interference immunity of the power module is therefore increased.

Außerdem kann hierdurch die Verbindung zwischen dem Leistungsmodul und dem Kühler aufgrund Anwendung der Halbleitermaterialien sowie des vereinfachten Aufbaus, der geringeren Anforderungen Rechnung trägt, sicherer und kostengünstiger gestaltet werden.In addition, as a result of this, the connection between the power module and the cooler can be made safer and more cost-effective due to the use of semiconductor materials and the simplified structure that takes into account lower requirements.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments are specified in the subclaims.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht im ersten Bereich höher als im zweiten Bereich.According to one embodiment, the dielectric constant of the insulating layer is higher in the first area than in the second area.

Vorteilhafterweise ist auf diese Weise kann die Ausgangskapazität des Leistungsmoduls hierdurch reduziert werden, sodass Beeinträchtigungen der Funktionalitäten aufgrund hochfrequenter Leistungsfluktuationen auf der Ausgangsseite des Leistungsmoduls minimiert sind.In this way, the output capacitance of the power module can advantageously be reduced, so that impairments of the functionalities due to high-frequency power fluctuations on the output side of the power module are minimized.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist wobei die Dicke der Isolierschicht im ersten Bereich kleiner als im zweiten Bereich.According to a further embodiment, the thickness of the insulating layer in the first area is smaller than in the second area.

Vorteilhafterweise ist auf diese Weise kann die Ausgangskapazität des Leistungsmoduls hierdurch reduziert werden, sodass Beeinträchtigungen der Funktionalitäten aufgrund hochfrequenter Leistungsfluktuationen auf der Ausgangsseite des Leistungsmoduls minimiert sind.In this way, the output capacitance of the power module can advantageously be reduced, so that impairments of the functionalities due to high-frequency power fluctuations on the output side of the power module are minimized.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement mittels einer flexiblen Leitung zueinander reihengeschaltet.According to a further embodiment, the first switching element and the second switching element are connected in series with one another by means of a flexible line.

Auf dieser Weise wird eine sichere elektrische und Signalverbindung zwischen den beiden Schaltelementen hergestellt, die vibrationsbeständiger ist. Die Funktionalität des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist daher verbessert. Die flexible Leitung kann eine Bogenform und/oder die Form einer Dünnschicht aufweisen.In this way, a secure electrical and signal connection is established between the two switching elements, which is more resistant to vibrations. The functionality of the power module according to the invention is therefore improved. The flexible line can have an arc shape and / or the shape of a thin layer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste Halbleitermaterial Galliumnitrid und/oder Siliziumcarbid.According to a further embodiment, the first semiconductor material is gallium nitride and / or silicon carbide.

Das zweite Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium. Die hohe Verfügbarkeit derartiger Materialien und deren inzwischen hoch entwickelte Verarbeitungstechnik erlauben es, das erfindungsgemäße Leistungsmodul zuverlässig und preisgünstig herzustellen.The second semiconductor material is preferably silicon. The high availability of such materials and their now highly developed processing technology make it possible to manufacture the power module according to the invention reliably and inexpensively.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement zueinander reihengeschaltet, wobei das zweite Schaltelement gegenüber dem ersten Schaltelement einem Leistungsausgang des Leistungsmoduls zugewandt ist.According to a further embodiment, the first switching element and the second switching element are connected in series with one another, the second switching element facing a power output of the power module opposite the first switching element.

Dies bedeutet, das erste Schaltelement ist einem Leistungseingang des Leistungsmoduls zugewandt, während das zweite Schaltelement dem Leistungsausgang des Leistungsmoduls zugewandt ist. Der Laststrom fließt daher vom Leistungseingang ausgehend zuerst durch das erste Schaltelement und anschließend durch das zweite Schaltelement, bevor der Laststrom durch den Leistungsausgang ausgegeben wird. Im Fall, dass das Steuergerät ein DC/AC-Wechselrichter ist, wird daher die Ausgangskapazität des Leistungsmoduls auf diese Weise wirksam reduziert und die Gesamtimpedanz des Leistungsmoduls entsprechend erhöht. Dies erschwert eine Übertragung hochfrequenter Leistungsfluktuationen vom AC-Ende auf das DC-Ende des Leistungsmoduls. Die Störfestigkeit des Leistungsmoduls wird daher gesteigert.This means that the first switching element faces a power input of the power module, while the second switching element faces the power output of the power module. Starting from the power input, the load current therefore flows first through the first switching element and then through the second switching element before the load current is output through the power output. In the event that the control device is a DC / AC inverter, the output capacitance of the power module is therefore effectively reduced in this way and the overall impedance of the power module is increased accordingly. This makes it difficult to transmit high-frequency power fluctuations from the AC end to the DC end of the power module. The interference immunity of the power module is therefore increased.

Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts mit einem Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 eine schematische Seitenansicht des Leistungsmoduls;
  • 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verhaltens eines Rauschsignals mehrerer Leistungsmodule unterschiedlicher Aufbauten; und
  • 4 eine schematische Seitenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Embodiments will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a control device with a power module according to an embodiment;
  • 2 a schematic side view of the power module;
  • 3 a schematic representation to illustrate a behavior of a noise signal of several power modules of different structures; and
  • 4th a schematic side view of a power module according to a further embodiment.

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.In the figures, the same reference symbols relate to the same or functionally similar reference parts. The relevant reference parts are identified in the individual figures.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Beschaltung eines Steuergeräts 20. Das beispielhaft als DC/AC-Wechselrichter bzw. Inverter ausgebildete Steuergerät 20 umfasst einen Leistungseingang 12 zum Einspeisen einer DC-Leistung, etwa von einer Batterie, einen Leistungsausgang 16 zum Ausgeben einer AC-Leistung, etwa an eine E-Maschine wie Elektromotor. Zwischen dem Leistungseingang 12 und dem Leistungsausgang 16 sind zum einen mehrere Kondensatoren C1, C2, C3, die einen Zwischenkreis bilden, zum anderen eine Brückenschaltung 14 in Form einer Halbbrücke angeordnet. Die Halbbrücke 14 umfasst einen Highside-Schalter (HS-Schalter) 142 und einen Lowside-Schalter (LS-Schalter) 144. Die Halbbrücke 14 ist zum Zwischenkreis C1, C2, C3 parallelgeschaltet. Der HS-Schalter 142 und der LS-Schalter 144 werden im Betrieb abwechselnd ein- und ausgeschaltet, um eine Pulsweitenmodulation der eingespeisten Eingangsleistung, etwa eines DC-Stroms, durchzuführen und hieraus eine sinusförmige Ausgangsleistung, etwa eines mehrphasigen AC-Stroms, zu erzeugen. Weitere Kondensatoren C4, C5, C6 sind mit der Halbbrücke 14 in Verbindung stehend angeordnet. Dabei handelt es sich bei einem Kondensator C4, der am Leistungsausgang 16 angeordnet ist, sodass der Ausgangsstrom durch den Kondensator C4 abgezweigt ist, um eine Ausgangskapazität des Leistungsmoduls 10. 1 shows a schematic representation of the wiring of a control device 20th . The control device embodied as a DC / AC inverter or inverter, for example 20th includes a power input 12th for feeding in DC power, e.g. from a battery, a power output 16 for outputting AC power, for example to an electric machine such as an electric motor. Between the power input 12th and the power output 16 on the one hand there are several capacitors C1 , C2 , C3 that form an intermediate circuit, on the other hand a bridge circuit 14th arranged in the form of a half bridge. The half bridge 14th includes a highside switch (HS switch) 142 and a low-side switch (LS switch) 144 . The half bridge 14th is to the intermediate circuit C1 , C2 , C3 connected in parallel. The HS switch 142 and the LS switch 144 are alternately switched on and off during operation in order to carry out a pulse width modulation of the input power fed in, for example a DC current, and from this to generate a sinusoidal output power, for example a polyphase AC current. More capacitors C4 , C5 , C6 are with the half bridge 14th arranged in connection. This is a capacitor C4 , the one at the power output 16 is arranged so that the output current through the capacitor C4 is branched off to an output capacitance of the power module 10 .

2 zeigt schematisch eine Seitenansicht des Leistungsmoduls 10. Das Leistungsmodul 10 weist einen Schichtaufbau auf, der in der gezeigten Darstellung von unten bis oben mehrere Schichten umfasst. Beide Leistungsschalter 142, 144 der Halbbrücke 14 sind oberseitig des Schichtaufbaus angeordnet. Der HS-Schalter 142 weist ein erstes Schaltelement 1422 und ein zum ersten Schaltelement 1422 reihengeschaltetes zweites Schaltelement 1424 auf. Das erste Schaltelement 1422 ist hier beispielhaft als ein Transistor (etwa ein HEMT) basierend auf einem ersten Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke, etwa einem sogenannten Wide-Bandgap-Semiconductor, vorzugsweise Galliumnitrid (GaN), ausgebildet. Alternativ kann der Transistor Siliziumcarbid (SiC) verwenden. Das zweite Schaltelement 1424 ist hier beispielhaft als ein Transistor (etwa ein MOSFET) basierend auf einem zweiten Halbleitermaterial (etwa Silizium) mit einer zweiten Bandlücke, die kleiner ist als die erste Bandlücke, ausgebildet. 2 shows schematically a side view of the power module 10 . The power module 10 has a layer structure which, in the illustration shown, comprises several layers from bottom to top. Both circuit breakers 142 , 144 the half bridge 14th are arranged on the top of the layer structure. The HS switch 142 has a first switching element 1422 and one to the first switching element 1422 second switching element connected in series 1424 on. The first switching element 1422 is embodied here, for example, as a transistor (for example a HEMT) based on a first semiconductor material with a first band gap, for example a so-called wide band gap semiconductor, preferably gallium nitride (GaN). Alternatively, the transistor can use silicon carbide (SiC). The second switching element 1424 is here, for example, designed as a transistor (for example a MOSFET) based on a second semiconductor material (for example silicon) with a second band gap that is smaller than the first band gap.

Das erste Schaltelement 1422 und das zweite Schaltelement 1424 sind mittels einer ersten Kontaktierung 1423 miteinander elektrisch verbunden. Eine zweite Kontaktierung 1425 verbindet das erste Schaltelement 1422 und einem ersten Kontakt des Leistungseingangs 12. Der erste Kontakt ist als eine Kupferbeschichtung 148 ausgebildet, die sich in der gezeigten Darstellung über die Breite des Leistungsmoduls 10 erstreckt und mehrere voneinander beabstandete Abschnitte aufweist. Das erste Schaltelement 1422 ist auf einem Abschnitt der Kupferbeschichtung 148 angebracht. Das zweite Schaltelement 1424 ist auf einem weiteren Abschnitt der Kupferbeschichtung 148 angebracht. Unterhalb der Kupferbeschichtung 148 ist eine Isolierschicht 146 zum Verbinden der Kupferbeschichtung 148 und somit auch der Halbbrücke 14 mit einem Kühler 18 mittels einer Lötschicht oder Sinterschicht 149 angeordnet. Die Isolierschicht 146 weist vorzugsweise ein Keramikmaterial auf. Die Isolierschicht 146 umfasst einen ersten Bereich 1462, der dem ersten Schaltelement 1422 zugeordnet ist und direkt unterhalb des ersten Schaltelements 1422 angeordnet ist. Die Isolierschicht 146 umfasst ferner einen zweiten Bereich 1464, der dem zweiten Schaltelement 1424 zugeordnet ist und direkt unterhalb des zweiten Schaltelements 1424 angeordnet ist. Die Isolierschicht 146 ist im ersten Bereich 1462 und im zweiten Bereich 1464 unterschiedlich ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Isolierschicht 146 in beiden Bereichen 1462, 1464 unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten und/oder Dicken hat. Vorzugsweise ist die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht 146 im ersten Bereich 1462 höher als im zweiten Bereich 1464. Alternativ oder zusätzlich ist die Dicke der Isolierschicht 146 im ersten Bereich 1462 kleiner als im zweiten Bereich 1464.The first switching element 1422 and the second switching element 1424 are by means of a first contact 1423 electrically connected to each other. A second contact 1425 connects the first switching element 1422 and a first contact of the power input 12th . The first contact is as a copper plating 148 formed, which in the illustration shown extends over the width of the power module 10 extends and has a plurality of spaced apart portions. The first switching element 1422 is on a section of the copper plating 148 appropriate. The second switching element 1424 is on another section of the copper plating 148 appropriate. Below the copper coating 148 is an insulating layer 146 for connecting the copper coating 148 and thus also the half bridge 14th with a cooler 18th by means of a solder layer or a sintered layer 149 arranged. The insulating layer 146 preferably comprises a ceramic material. The insulating layer 146 includes a first area 1462 , the first switching element 1422 is assigned and directly below the first switching element 1422 is arranged. The insulating layer 146 further comprises a second area 1464 , the second switching element 1424 is assigned and directly below the second switching element 1424 is arranged. The insulating layer 146 is in the first area 1462 and in the second area 1464 differently trained. This means the insulating layer 146 in both areas 1462 , 1464 has different dielectric constants and / or thicknesses. Preferably the dielectric constant of the insulating layer is 146 in the first area 1462 higher than in the second area 1464 . Alternatively or additionally, the thickness of the insulating layer is 146 in the first area 1462 smaller than in the second area 1464 .

Das zweite Schaltelement 1424 ist gegenüber dem ersten Schaltelement 1422 am Leistungsausgang 16 angeordnet. D. h., der Laststrom fließt zuerst durch das erste Schaltelement 1422 und danach das zweite Schaltelement 1424, bevor er durch den Leistungsausgang 16 an eine externe Entität (etwa E-Maschine für den Elektrofahrzeugantrieb) ausgegeben wird. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Isolierschicht 146 führt daher zu einer reduzierten Ausgangskapazität des Ausgangskondensators C4, was eine erhöhte Gesamtimpedanz der Halbbrücke 14 bewirkt. Aufgrund der erhöhten Gesamtimpedanz ist eine Übertragung von Störsignalen, die auf hochfrequente Leistungsfluktuationen zurückzuführen sind, vom Leistungsausgang 16 zum Leistungseingang 12 erschwert. Das Leistungsmodul 10 ist daher störfestiger, was das Betreiben des Elektrofahrzeugantriebs verbessert. Auch kann hierdurch ein Aufbau des Leistungsmoduls 10 erreicht werden, der eine höhere mechanische Stabilität und Kostengünstigkeit aufweist.The second switching element 1424 is opposite the first switching element 1422 at the power output 16 arranged. That is, the load current first flows through the first switching element 1422 and then the second switching element 1424 before going through the power output 16 is output to an external entity (e.g. e-machine for electric vehicle propulsion). The inventive design of the insulating layer 146 therefore leads to a reduced output capacitance of the output capacitor C4 what an increased total impedance of the half bridge 14th causes. Due to the increased total impedance, there is a transmission of interference signals, which can be traced back to high-frequency power fluctuations, from the power output 16 to the power input 12th difficult. The power module 10 is therefore more resistant to interference, which improves the operation of the electric vehicle drive. This also allows a structure of the power module 10 can be achieved, which has a higher mechanical stability and cost effectiveness.

Der LS-Schalter 144 ist ähnlich zum HS-Schalter 142 ausgebildet und weist ebenfalls ein erstes Schaltelement 1442 und ein zu diesem reihengeschaltetes zweites Schaltelement 1444 auf. Das erste und das zweite Schaltelement 1442, 1444 sind zueinander mittels einer dritten Kontaktierung 1443 reihengeschaltet. Das erste Schaltelement 1442 ist mittels einer vierten Kontaktierung 1445 mit der Kupferbeschichtung 148 elektrisch verbunden.The LS switch 144 is similar to the HS switch 142 formed and also has a first switching element 1442 and a second switching element connected in series to this 1444 on. The first and the second switching element 1442 , 1444 are to each other by means of a third contact 1443 connected in series. The first switching element 1442 is by means of a fourth contact 1445 with the copper coating 148 electrically connected.

Im Unterschied zum HS-Schalter 142 ist beim LS-Schalter 144 die Isolierschicht 146 in den Bereichen des ersten und zweiten Schaltelements 1442, 1444 gleichermaßen ausgebildet.In contrast to the HS switch 142 is at the LS switch 144 the insulating layer 146 in the areas of the first and second switching element 1442 , 1444 equally trained.

3 zeigt ein Diagramm, in dem mehrere Kurven D0 bis D3 gezeigt sind. Die Kurven beschreiben jeweils einen Verlauf eines Verhältnisses r zwischen einem Störsignal, welches auf hochfrequente Leistungsfluktuationen der Ausgangsleistung zurückzuführen ist, und der Ausgangsleistung als Funktion der Frequenz f. Die Kurve D0 bezieht sich auf einen Aufbau eines konventionellen Leistungsmoduls, bei dem die Isolierschicht für beide Bereiche, die dem ersten Schaltelement bzw. dem zweiten Schaltelement des HS-Schalters zugeordnet sind, gleichermaßen ausgebildet ist. 3 shows a diagram in which several curves D0 to D3 are shown. The curves each describe a course of a ratio r between an interference signal, which is due to high-frequency power fluctuations in the output power, and the output power as a function of the frequency f. The curve D0 relates to a structure of a conventional power module in which the insulating layer for both areas that are assigned to the first switching element and the second switching element of the HV switch is formed in the same way.

Dies bedeutet, die Isolierschicht weist in beiden Bereichen die gleiche Dielektrizitätskonstante und Dicke auf. Die Kurve D1 bezieht sich auf einen ersten Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10, bei dem die Isolierschicht 146 im ersten Bereich 1462 eine höhere Dielektrizitätskonstante als im zweiten Bereich 1464 aufweist. Die Kurve D2 bezieht sich auf einen zweiten Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10, bei dem die Isolierschicht 146 im ersten Bereich 1462 eine kleinere Dicke als im zweiten Bereich 1464 aufweist. Die Kurve D3 bezieht sich auf einen dritten Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10, bei dem die Isolierschicht 146 im ersten Bereich 1462 sowohl eine höhere Dielektrizitätskonstante als auch eine kleinere Dicke als im zweiten Bereich 1464 aufweist. Wie die Kurven D0 bis D3 zeigen, weist der dritte Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10 das niedrigste Verhältnis r auf, gefolgt vom zweiten und ersten Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10. Der Aufbau des konventionellen Leistungsmoduls weist das höchste Verhältnis r auf. Dies zeigt deutlich, dass das erfindungsgemäße Leistungsmodul 10 eine erhöhte Störfestigkeit erzielt.This means that the insulating layer has the same dielectric constant and thickness in both areas. The curve D1 relates to a first structure of the power module according to the invention 10 where the insulating layer 146 in the first area 1462 a higher dielectric constant than in the second range 1464 having. The curve D2 relates to a second structure of the power module according to the invention 10 where the insulating layer 146 in the first area 1462 a smaller thickness than in the second area 1464 having. The curve D3 relates to a third structure of the power module according to the invention 10 where the insulating layer 146 in the first area 1462 both a higher dielectric constant and a smaller thickness than in the second region 1464 having. Like the curves D0 to D3 show the third structure of the power module according to the invention 10 the lowest ratio r, followed by the second and first structure of the power module according to the invention 10 . The structure of the conventional power module has the highest ratio r. This clearly shows that the power module according to the invention 10 an increased immunity to interference achieved.

4 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Leistungsmoduls 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hier ist die erste Kontaktierung zwischen dem ersten Schaltelement 1422 und dem zweiten Schaltelement 1424 mittels einer flexiblen Leitung bereitgestellt. Diese Maßnahme führt zu einer erhöhten mechanischen Stabilität des Leistungsmoduls 10 gegen Vibrationen. Die Steuerung des Elektrofahrzeugantriebs mittels des das Leistungsmodul 10 umfassenden Steuergeräts 20 ist daher zuverlässiger. 4th shows schematically a side view of a power module 10 according to a further embodiment. Here is the first contact between the first switching element 1422 and the second switching element 1424 provided by means of a flexible conduit. This measure leads to an increased mechanical stability of the power module 10 against vibrations. The control of the electric vehicle drive by means of the power module 10 comprehensive control unit 20th is therefore more reliable.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
LeistungsmodulPower module
1212th
LeistungseingangPower input
1414th
BrückenschaltungBridge circuit
142142
HS-SchalterHS switch
14221422
erstes Schaltelementfirst switching element
1423, 14251423, 1425
KontaktierungContacting
14241424
zweites Schaltelementsecond switching element
144144
LS-SchalterLS switch
14421442
erstes Schaltelementfirst switching element
1443, 14451443, 1445
KontaktierungContacting
14441444
zweites Schaltelementsecond switching element
146146
IsolierschichtInsulating layer
14621462
erster Bereichfirst area
14641464
zweiter Bereichsecond area
147, 148147, 148
KupferschichtCopper layer
149149
LötschichtSolder layer
1616
LeistungsausgangPower output
1818th
Kühlercooler
2020th
SteuergerätControl unit
C1-C6C1-C6
KondensatorenCapacitors
D0-D3D0-D3
MesskurvenMeasurement curves

Claims (9)

Leistungsmodul (10) für ein Steuergerät (20) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend eine Brückenschaltung (14), die zum Erzeugen einer Ausgangsleistung basierend auf einer Eingangsleistung ansteuerbar ist, wobei die Brückenschaltung (14) einen Leistungsschalter (142) aufweist, der ein erstes Schaltelement (1422) und ein zweites Schalterelement (1424) umfasst, wobei das erste Schaltelement (1422) ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke aufweist, wobei das zweite Schaltelement (1424) ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke aufweist, die kleiner ist als die erste Bandlücke, wobei der Leistungsschalter (142) von einem Kühler (18) durch eine Isolierschicht (146) beabstandet ist, wobei die Isolierschicht (146) in einem dem ersten Schaltelement (1422) zugeordneten ersten Bereich (1462) eine andere Dielektrizitätskonstante und/oder Dicke als in einem dem zweiten Schaltelement (1424) zugeordneten zweiten Bereich (1464) hat.Power module (10) for a control device (20) for operating an electric vehicle drive, comprising a bridge circuit (14) which can be controlled to generate an output power based on an input power, the bridge circuit (14) having a power switch (142) comprising a first switching element (1422) and a second switch element (1424), wherein the first switching element (1422) comprises a first semiconductor material with a first band gap, wherein the second switching element (1424) comprises a second semiconductor material with a second band gap, which is smaller than the first band gap, the circuit breaker (142) being spaced from a cooler (18) by an insulating layer (146), the insulating layer (146) in a first region (1462) associated with the first switching element (1422) having a has a different dielectric constant and / or thickness than in a second region (1464) assigned to the second switching element (1424). Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht (146) im ersten Bereich (1462) höher ist als im zweiten Bereich (1464).Power module (10) Claim 1 wherein the dielectric constant of the insulating layer (146) is higher in the first region (1462) than in the second region (1464). Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der Isolierschicht (146) im ersten Bereich (1462) kleiner ist als im zweiten Bereich (1464).Power module (10) Claim 1 or 2 wherein the thickness of the insulating layer (146) in the first region (1462) is smaller than in the second region (1464). Leistungsmodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Schaltelement (1422) und das zweite Schaltelement (1424) mittels einer flexiblen Leitung (1423) zueinander reihengeschaltet sind.Power module (10) according to one of the preceding claims, wherein the first switching element (1422) and the second switching element (1424) are connected in series to one another by means of a flexible line (1423). Leistungsmodul (10) nach Anspruch 4, wobei die flexible Leitung (1423) eine Bogenform aufweist.Power module (10) Claim 4 wherein the flexible conduit (1423) has an arc shape. Leistungsmodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Halbleitermaterial ist Galliumnitrid und/oder Siliziumcarbid.Power module (10) according to one of the preceding claims, wherein the first semiconductor material is gallium nitride and / or silicon carbide. Leistungsmodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Schaltelement (1422) und das zweite Schaltelement (1424) zueinander reihengeschaltet sind, wobei das zweite Schaltelement (1424) gegenüber dem ersten Schaltelement (1422) einem Leistungsausgang des Leistungsmoduls (10) zugewandt ist.Power module (10) according to one of the preceding claims, wherein the first switching element (1422) and the second switching element (1424) are connected in series with one another, the second switching element (1424) facing a power output of the power module (10) opposite the first switching element (1422) is. Steuergerät (20), insbesondere DC/AC-Wechselrichter, zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend ein Leistungsmodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.Control device (20), in particular DC / AC inverter, for operating an electric vehicle drive, comprising a power module (10) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend Ansteuern einer Brückenschaltung (14) zum Erzeugen einer Ausgangsleistung, wobei die Brückenschaltung (14) einen Leistungsschalter (142) aufweist, der ein erstes Schaltelement (1422) und ein zweites Schalterelement (1424) umfasst, wobei das erste Schaltelement (1422) ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke aufweist, wobei das zweite Schaltelement (1424) ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlücke aufweist, die kleiner ist als die erste Bandlücke, wobei der Leistungsschalter (142) von einem Kühler (18) durch eine Isolierschicht (146) beabstandet ist, wobei die Isolierschicht (146) in einem dem ersten Schaltelement (1422) zugeordneten ersten Bereich (1462) eine andere Dielektrizitätskonstante und/oder Dicke als in einem dem zweiten Schaltelement (1424) zugeordneten zweiten Bereich (1464) hat.A method for operating an electric vehicle drive, comprising controlling a bridge circuit (14) to generate an output power, the bridge circuit (14) having a power switch (142) which comprises a first switching element (1422) and a second switch element (1424), the first Switching element (1422) comprises a first semiconductor material with a first band gap, wherein the second switching element (1424) comprises a second semiconductor material with a second band gap which is smaller than the first band gap, the power switch (142) from a cooler (18) through an insulating layer (146) is spaced apart, the insulating layer (146) having a different dielectric constant and / or thickness in a first region (1462) associated with the first switching element (1422) than in a second region (1464) associated with the second switching element (1424) Has.
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