DE102020106219A1 - Paralleles Leistungsmodul mit zusätzlicher Emitter/Source-Strecke - Google Patents

Paralleles Leistungsmodul mit zusätzlicher Emitter/Source-Strecke Download PDF

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Abstract

Diese Offenbarung stellt ein paralleles Leistungsmodus mit zusätzlicher Emitter/Source-Strecke bereit. Ein Leistungselektronikschaltkreis beinhaltet ein Paar paralleler Schaltelemente. Jedes der Schaltelemente beinhaltet zwei Leistungsanschlüsse, zwei Steueranschlüsse und einen zusätzlichen Anschluss. Einander entsprechende der beiden Leistungsanschlüsse eines jeweiligen des Paares sind über eine erste bzw. zweite Leistungsstrecke verbunden. Einander entsprechende der beiden Steueranschlüsse eines jeweiligen des Paares sind über eine erste bzw. zweite Steuerstrecke verbunden. Die zusätzlichen Anschlüsse sind über eine zusätzliche Strecke verbunden. Der Schaltkreis beinhaltet zudem einen Gate-Treiber, der die erste und die zweite Steuerstrecke in Anspruch nimmt, und einen Magneten, der die zusätzlichen Anschlüsse umgibt, um eine Induktivität der zusätzlichen Strecke zu koppeln.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft Leistungshalbleitervorrichtungen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Leistungshalbleiter werden als Schalter oder Gleichrichter in bestimmter Leistungselektronik, wie etwa Schaltnetzteilen, verwendet. Sie werden auch als Leistungsvorrichtungen oder bei Verwendung in integrierten Schaltungen als integrierte Leistungsschaltungen (integrated circuit - IC) bezeichnet. Ein Leistungshalbleiter wird in der Regel im Kommutierungsmodus verwendet (er ist entweder ein- oder ausgeschaltet) und weist eine für diese Verwendung optimierte Ausgestaltung auf. Leistungshalbleiter sind in Systemen zu finden, die einige zehn Milliwatt abgeben, (z. B. einem Kopfhörerverstärker) und in Systemen, die ein Gigawatt abgeben, (z. B. einer Hochspannungs-Gleichstromübertragungsleitung).
  • Bei bestimmten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor - MOSFET), einer Art von Leistungshalbleiter, handelt es sich um Verarmungskanalvorrichtungen: Unter Umständen wird Spannung, nicht Strom, benötigt, um eine Leitungsstrecke vom Drain-Anschluss zum Source-Anschluss herzustellen. Bei niedrigen Frequenzen kann dies den Gate-Strom reduzieren, da dieser die Gate-Kapazität nur während des Schaltens laden muss. Die Schaltzeiten reichen von einigen zehn Nanosekunden bis zu einigen hundert Mikrosekunden. In der Regel sind MOSFET-Vorrichtungen nicht bidirektional und stellen keine Rückwärtsspannungsblockierung bereit.
  • Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated-gate bipolar transistor - IGBT), eine andere Art von Leistungshalbleiter, weist häufig Eigenschaften auf, die er mit bipolaren Sperrschichttransistoren (bipolar junction transistor - BJT) und MOSFETs gemein hat. Wie ein MOSFET kann er eine hohe Gate-Impedanz und somit geringe Gate-Strom-Anforderungen aufweisen. Im Betriebsmodus wie ein BJT kann er einen geringen Spannungsabfall im angeschalteten Zustand aufweisen. Bestimmte IGBTs können zum Blockieren von sowohl positiven als auch negativen Spannungen verwendet werden und weisen eine im Vergleich zu MOSFET-Vorrichtungen reduzierte Eingangskapazität auf.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein Leistungselektronikschaltkreis beinhaltet ein Paar paralleler Schaltelemente, die jeweils einen Gate-Anschluss, einen Kelvin-Source-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss beinhalten. Der Schaltkreis beinhaltet zudem eine Gate-Strecke, welche die Gate-Anschlüsse verbindet, eine Kelvin-Strecke, welche die Kelvin-Source-Anschlüsse verbindet, eine Source-Strecke, welche die Source-Anschlüsse verbindet, und einen Gate-Treiber, der die Gate- und die Kelvin-Strecke in Anspruch nimmt und zum Antreiben der Gate-Anschlüsse konfiguriert ist. Der Gate-Treiber, die Gate-Strecke und die Kelvin-Strecke definieren Abschnitte von Gate-Schleifen. Der Schaltkreis beinhaltet darüber hinaus eine zusätzliche Strecke außerhalb der Gate-Schleifen parallel zu der Kelvin- und der Source-Strecke.
  • Ein Leistungselektronikschaltkreis beinhaltet ein Paar paralleler Schaltelemente, die jeweils zwei Leistungsanschlüsse, zwei Steueranschlüsse und einen zusätzlichen Anschluss beinhalten. Einander entsprechende der beiden Leistungsanschlüsse eines jeweiligen des Paares sind über eine erste bzw. zweite Leistungsstrecke verbunden. Einander entsprechende der beiden Steueranschlüsse eines jeweiligen des Paares sind über eine erste bzw. zweite Steuerstrecke verbunden. Die zusätzlichen Anschlüsse sind über eine zusätzliche Strecke verbunden. Der Schaltkreis beinhaltet zudem einen Gate-Treiber, der die erste und die zweite Steuerstrecke in Anspruch nimmt, und einen Magneten, der die zusätzlichen Anschlüsse umgibt, um eine Induktivität der zusätzlichen Strecke zu koppeln.
  • Ein Leistungselektronikschaltkreis beinhaltet ein Paar parelleler Schaltelemente, die jeweils einen Gate-Anschluss, einen Kelvin-Emitter, einen Kollektor und einen Emitter beinhalten. Der Schaltkreis beinhaltet zudem eine Gate-Strecke, welche die Gate-Anschlüsse verbindet, eine Kelvin-Strecke, welche die Kelvin-Emitter verbindet, eine Emitterstrecke, welche die Emitter verbindet, und einen Gate-Treiber, der die Gate- und die Kelvin-Strecke in Anspruch nimmt und zum Antreiben der Gate-Anschlüsse konfiguriert ist. Der Gate-Treiber, die Gate-Strecke und die Kelvin-Strecke definieren Abschnitte von Gate-Schleifen. Der Schaltkreis beinhaltet darüber hinaus eine zusätzliche Strecke außerhalb der Gate-Schleifen parallel zu der Kelvin- und der Emitter-Strecke.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer Halbbrückenschaltung.
    • Bei den 2A und 2B handelt es sich um eine Vorder- und eine Seitenansicht (im Querschnitt) eines Halbbrücken-Leistungsmoduls.
    • 3 ist eine schematische Darstellung paralleler Halbbrücken-Leistungsmodule und der daraus resultierenden Gate-Schleifen-Schwingungen.
    • 4 ist ein Verlauf der Gate-Spannungen, die den parallelen Halbbrücken-Leistungsmodulen aus 3 zugeordnet sind.
    • 5 ist eine schematische Darstellung eines Leistungsmodulaufbaus für parallele Halbleiter.
    • 6 ist eine schematische Darstellung paralleler Halbbrücken-Leistungsmodule mit einer zusätzlichen Emitter/Source-Seiten-Strecke.
  • Bei den 7A und 7B handelt es sich um eine Vorder- bzw. Seitenansicht eines Halbbrücken-Leistungsmoduls mit einem erweiterten Emitter/Source-Leiterrahmen-Anschluss und einer zusätzlichen Emitter/Source-Strecke.
  • 8 ist eine schematische Darstellung paralleler Halbbrücken-Leistungsmodule mit gekoppelten Streuinduktivitäten an der zusätzlichen Emitter/Source-Seiten-Strecke.
  • Bei den 9A und 9B handelt es sich um eine Vorder- bzw. Seitenansicht paralleler Halbbrücken-Leistungsmodule mit gekoppelten Streuinduktivitäten an der zusätzlichen Emitter/Source-Seiten-Strecke, was durch erweiterte Leiterrahmen umgesetzt ist.
  • Bei den 10A und 10B handelt es sich um eine Vorder- bzw. Seitenansicht paralleler Halbbrücken-Leistungsmodule mit gekoppelten Streuinduktivitäten an der zusätzlichen Emitter/Source-Seiten-Strecke, was durch Stifte und einen Bonddraht umgesetzt ist.
  • 11 ist eine Seitenansicht eines parallelen Halbbrücken-Leistungsmoduls mit gekoppelter Streuinduktivität an der zusätzlichen Emitter/Source-Seiten-Strecke, was durch Winkelstifte und einen Bonddraht umgesetzt ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In dieser Schrift werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die offenbarten Ausführungsformen sind jedoch lediglich beispielhaft und andere Ausführungsformen können verschiedene und alternative Formen annehmen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Durchschnittsfachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, welche in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
  • Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet eine Halbbrückenzelle 10, bei der es sich um eine grundlegende Zelle von Leistungselektronikschaltkreisen/Wandlerschaltkreisen handelt, ein oberes Schaltelement 12 und ein unteres Schaltelement 14. Jedes der Schaltelemente 12, 14 beinhaltet eine aktive Leistungsvorrichtung 16, 18 (z. B. einen Leistungs-Silicium/Siliciumcarbid-MOSFET oder Silicium-IGBT) mit oder ohne Antiparalleldiode 20, 22. Jedes der Schaltelemente 12, 14 weist zudem Folgendes auf: zwei Leistungsanschlüsse: Drain (Dn) und Source (Sn) für die MOSFET-Konfiguration (oder Kollektor (Cn) und Emitter (En) für die IGBT-Konfiguration); und zwei Steueranschlüsse: Gate (Gn) und Kelvin-Source (Kn) für die MOSFET-Konfiguration (oder Kelvin-Emitter für die IGBT-Konfiguration). Hierbei ist n „1“, wenn auf das Schaltelement 12 Bezug genommen wird, und „2“, wenn auf das Schaltelement 14 Bezug genommen wird. Die Anschlüsse Gate Gn und Kelvin-Source/Emitter Kn bilden die Gate-Schleife zum Steuern des An- und Abschaltens der aktiven Halbleiter. Der positive DC-Anschluss P und der negative DC-Anschluss N der Halbbrückenzelle sind mit dem Drain-Anschluss Di des Schaltelements 12 bzw. dem Source-Anschluss S2 des Schaltelements 14 verbunden. Der mittlere Anschluss der Halbbrückenzelle 10, der auch der Source-Anschluss Si des Schaltelements 12 und der Drain-Anschluss D2 des Schaltelements 14 ist, ist mit einer Ausgangslast (z. B. Elektromotorwicklungen U/V/W) verbunden.
  • Ein Traktionswechselrichter in Elektrofahrzeugen/Hybridelektrofahrzeugen beinhaltet in der Regel einen oder mehrere Dreiphasenwandler. In einigen Topologien ist zudem ein DC-DC-Aufwärtswandler vorhanden. Bei Hochleistungs-Traktionswechselrichter-Anwendungen müssen mehrere Halbbrückenzellen parallel verwendet werden, um die hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Das Leistungsmodul enthält eine Halbbrückenzelle, da diese Flexibilität für verschiedene Anwendungen, unterschiedliche Wechselrichtertopologien und Nennleistungen bereitstellt. Demzufolge können je nach Wechselrichtertopologie und Nennleistung mehrere Halbbrücken-Leistungsmodule in dem Traktionswechselrichter vonnöten sein.
  • Unter Bezugnahme auf die 2A und 2B ist die Halbbrückenzelle 10 im Kontext eines Leistungsmoduls 24 gezeigt, in dem die Schaltelemente 12, 14 sowohl oben als auch unten mit Kupferleitrahmen verlötet (oder versintert) sind. Der Drain-Anschluss Dn, der Source-Anschluss Sn, die externen Leistungsanschlüsse P, N und der mittige Phasenausgang sind Teil der Leiterrahmen. Signalstifte 26 sind durch einen Bonddraht 28 mit den aktiven Leistungsvorrichtungen 12, 14 verbunden (oder direkt mit dem Halbleiter verlötet/versintert). Die Signalstifte 26 beinhalten Stifte für die Gate-Anschlüsse Gn und die Kelvin-Emitter/Source-Anschlüsse Kn sowie für einige Sensorsignalausgänge, wenn Sensoren auf dem Chip vorhanden sind. Kupferabstandshalter 30 und Epoxidharz 32 trennen den Drain-Anschluss Dn und den Source-Anschluss Sn. Das Leistungsmodul 24 kann von einer Seite oder von zwei Seiten gekühlt werden.
  • 3 zeigt eine Schaltung 34 mit parallelen Leistungsschaltelementen 36, 38, 40, 42, die jeweils zwei Leistungsanschlüsse, Drain Dx-y und Source Sx-y, und zwei Steueranschlüsse, Gate Gx-y und Kelvin-Source KSx-y, aufweisen. Hierbei ist x „1“, wenn auf die Schaltelemente 36, 38 Bezug genommen wird, und „2“, wenn auf die Schaltelemente 40, 42 Bezug genommen wird, und ist y „1“, wenn auf die Schaltelemente 36, 40 Bezug genommen wird, und „2“, wenn auf die Schaltelemente 38, 42 Bezug genommen wird. (Im Kontext der IGBT-Technik wären die Leistungsanschlüsse stattdessen Kollektoren und Emitter und die Steueranschlüsse würden Kelvin-Emitter anstelle von Kelvin-Source-Anschlüssen beinhalten.) Die Gate-Anschlüsse Gx-y und die Kelvin-Source-Anschlüsse KSx-y bilden jeweils entsprechende Gate-Schleifen zum Steuern der Leistungsschaltelemente 36, 38, 40, 42. Die Schaltung 34 beinhaltet zudem eine gemeinsame integrierte Gate-Treiber-Schaltung 44 für die Schaltelemente 36, 38 und eine gemeinsame integrierte Gate-Treiber-Schaltung 46 für die Schaltelemente 40, 42. Eine Gate-Strecke 48 verbindet die Gate-Anschlüsse G1-1, G1-2 elektrisch, eine Kelvin-Strecke 50 verbindet die Kelvin-Source-Anschlüsse KS1-1, KS1-2 elektrisch und eine Source-Strecke 52 verbindet die Source-Anschlüsse S1-1, S1-2 elektrisch. Widerstände RG1-1, RG1-2 befinden sich in der Gate-Strecke 48. Gleichermaßen verbindet eine Gate-Strecke 54 die Gate-Anschlüsse G2-1, G2-2 elektrisch, verbindet eine Kelvin-Strecke 56 die Kelvin-Source-Anschlüsse KS2-1, KS2-2 elektrisch und verbindet eine Source-Strecke 58 die Source-Anschlüsse S2-1, S2-2 elektrisch. Widerstände RG2-1, RG2-2 befinden sich in der Gate-Strecke 54. Verschiedene Induktivitäten LKx-y, LSx-y sind ebenfalls gezeigt. Diese sind keine tatsächlichen Elemente, sondern geben einige der in der Schaltung 34 vorhandenen Induktivitäten wieder.
  • Wenn Halbbrücken-Leistungsmodule für Hochleistungsanwendungen parallel verwendet werden, sind die transienten Ströme der parallelen Leistungshalbleiter zum Ein- und Ausschalten in der Regel aufgrund der Variation der Leistungshalbleiterparameter von Bauteil zu Bauteil, der uneinheitlichen Gestaltung der Sammelschiene und/oder unsymmetrischen Halbleiterübergangskapazitäten und Streuinduktivitäten der Schaltung unsymmetrisch. Die unsymmetrischen Ströme verursachen die Spannungspotentialdifferenz der Emitter/Source-Seite der parallelen Halbleiter, d. h. VK1-1 - VK1-2 ≠ 0, VS1-1 - VS1-2 ≠ 0 (idealerweise sollten sie stets null ergeben). Die Spannungsdifferenz (VK1-1 - VK1-2) löst gemeinsam mit der Halbleiterübergangskapazität und der Streuinduktivität der Schaltung zwischen K1-1 und K1-2 (LK1-1, LK1-2) und S1-1 und S1-2 (LS1-1, LS1-2) die Schwingungen in den Gate-Schleifen der parallelen Halbleiter aus. Die Schwingungen sind nicht steuerbar und können eine oszillierende Gate-Spannung an den Halbleitern (VG1-1, K1-1 und VG1-2, K1-2) mit hohen Spitzenspannungswerten hervorrufen.
  • Unter Bezugnahme auf 4 zeigt eine Simulation die oszillierenden Gate-Spannungs-Wellenformen. Der Spitzenwert der Gate-Spannung liegt nahe bei 50 V, was erheblich höher ist als die Gate-Treiber-Ausgabe von 20 V. Parallele Siliciumcarbid-MOSFETs, die viel schneller schalten als Silicium allein, neigen zu Gate-Spannungs-Schwingungen, wenn die Schaltgeschwindigkeit nicht reduziert ist. Eine reduzierte Schaltgeschwindigkeit führt jedoch zu höheren Schaltverlusten.
  • Erneut unter Bezugnahme auf 3 reduziert oder beseitigt die Reduzierung der Streuinduktivität, welche die Emitter/Source-Seiten der Halbleiter (LK1-1, LK1-2 und/oder LS1-1, LS1-2) verbinden, die Spannungspotentialdifferenz der parallelen Leistungsmodule und unterdrückt effektiv die Gate-Spannungs-Schwingungen. Die Streuinduktivität LK1-1, LK1-2 stammt hauptsächlich von den Signalstiften, dem Bonddraht und der Leiterbahn auf der Leiterplatte des Gate-Treibers des Leistungsmoduls. Die Induktivität LS1-1, LS1-2 stammt hauptsächlich von den Anschlüssen und den externen Sammelschienen, welche die parallelen Leistungsmodule verbinden. Um den Zweck der Reduzierung von LK1-1, LK1-2 und/oder LS1-1, LS1-2 zu erreichen, besteht das derzeitige Verfahren darin, parallele Halbleiter 60, 62 in ein Leistungsmodul 64 einzubauen, wie in 5 gezeigt. Dieses Verfahren beseitigt die externen Sammelschienen, welche die parallelen Halbleiter 60, 62 verbinden, und reduziert LS1-1, LS1-2 effektiv (3). Im Vergleich zu dem Halbbrücken-Leistungsmodul 24 in den 2A und 2B beruht diese Art von Leistungsmodul nicht auf der grundlegenden Schaltungszelle, d. h. der Halbbrückenzelle, weshalb diese Art von Leistungsmodul nicht flexibel für unterschiedliche Anwendungen ist. Beispielsweise müssen in 5 die parallelen Halbleiter 60, 62 möglicherweise anders ausgestaltet sein. Für Traktionswechselrichter mit anderen Nennleistungen muss das Leistungsmodul 64 möglicherweise so umgestaltet werden, dass es andere Anzahlen von Halbleitern enthält. Des Weiteren können zudem die Sammelschienenausgestaltung und der Montageprozess komplex sein.
  • Um durch Reduzieren der Streuinduktivität der Emitter/Source-Seite zwischen parallelen Leistungshalbleitern Gate-Spannungs-Schwingungen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, am Emitter/Source-Anschluss jedes der Leistungshalbleiter 36, 38 und 40, 42 zusätzliche Strecken 66, 68 zu der Schaltung 34 aus 3 hinzuzufügen, wie in 6 gezeigt. Die zusätzliche Strecke 66 verbindet die K1-1/S1-1-Seite und die K1-2/S1-2-Seite direkt. Gleichermaßen verbindet die zusätzliche Strecke 68 die K2-1/S2-1-Seite und die K2-2/S2-2-Seite direkt. Die zusätzlichen Strecken 66, 68 befinden sich außerhalb der Gate-Schleifen und können physisch kurz mit geringer Streuinduktivität ausgestaltet sein.
  • 7A zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung, welche die vorgeschlagenen zusätzlichen Strecken im Kontext des in den 2A und 2B beschriebenen Leistungsmoduls umsetzt. Die in 6 vorgeschlagene zusätzliche Emitter/Source-Seiten-Strecke wird realisiert, indem Kupferleitrahmen 70, 72 der Emitter/Source-Anschlüsse der Halbleiter erweitert werden. 7B zeigt das Leistungsmodul 24 aus 7A an einem entsprechenden Leistungsmodul 74 (mit ähnlicher Ausgestaltung wie das Leistungsmodul 24 aus 7A) angebracht. Der erweiterte Halbleiter-Emitter/Source-Kupferleiterrahmen 70 und ein entsprechender erweiterter Halbleiter-Emitter/Source-Leiterrahmen 76 des Leistungsmoduls 74 sind über eine Sammelschiene 78 von minimaler Länge zum Reduzieren der Streuinduktivität verbunden. Durch geringe Streuinduktivität wird die Spannungspotentialdifferenz zwischen den zugehörigen Kelvin-Source- und Source-Anschlüssen (siehe beispielsweise K1-1 und K1-2 und S1-1 und S1-2 in 6) selbst während schneller transienter Schaltungen gering gehalten. Infolgedessen können Gate-Schleifen-Schwingungen und Gate-Beschädigungen bei parallelem Betrieb von Leistungshalbleitern vermieden werden. Gleichzeitig kann die Halbbrücken-Leistungsmodulstruktur für die flexible und einfache Ausgestaltung/Montage für unterschiedliche Fahrzeuganwendungen verwendet werden. Zudem sind Kühlkanäle 80 benachbart zu den Leistungsmodulen 24, 74 gezeigt.
  • Um die Streuinduktivität in den zusätzlichen Emitter/Source-Strecken 66, 68 weiter zu reduzieren, wird eine weitere Ausgestaltung vorgeschlagen, welche die Streuinduktivität in den zusätzlichen Emitter/Source-Strecken 66, 68 koppelt wie in 8 gezeigt. Durch die Kopplung kann die äquivalente Impedanz zwischen den Leistungshalbleitern reduziert werden. Wenn die Induktivität der Kelvin-Emitter/Source-Strecken (z. B. LK1-1 und LK1-2) gekoppelt ist, ist die Impedanz der jeweiligen Halbleiter-Gate-Schleife erhöht, was die Schaltzeit und die Schaltverluste erhöht. Wenn die Induktivitäten der Phasenausgangsstrecke (z. B. LS1-1 und LS1-2) gekoppelt sind, sättigt die Ausgangsleistung die Kopplungsmagnete. Das Koppeln der Streuinduktivität LCM1-1 und LCM1-2 in der zusätzlichen Strecke hat keinen Einfluss auf die Gate-Schleifen oder die Ausgangsleistung. Durch Koppeln von LCM1-1 und LCM1-2 zu einer Gleichtakt(common-mode - CM)-Struktur kann zudem die Spannungspotentialdifferenz zwischen K1-1 und K1-2 (und zwischen S1-1 und S1-2), bei der es sich um die Gegentaktspannung handelt, reduziert oder beseitigt werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 9A und 9B können die erweiterten Emitter/Source-Leiterrahmenanschlüsse 70, 76, wie etwa die Signalstifte 26, mit einer Leiterplatte (printed circuit board - PCB) 82 des Gate-Treibers verlötet sein, um die Kopplung der Streuinduktivitäten LCM1-1, LCM1-2 (und LCM2-1, LCM2-2) umzusetzen. Durch PCB-Bahnen können die erweiterten Emitter/Source-Leiterrahmenanschlüsse 70, 76 verbunden werden und dann wird die zusätzliche Emitter/Source-Strecke hergestellt. Der Großteil der Streuinduktivität in dieser zusätzlichen Strecke (LCM1-1, LCM1-2) befindet sich am erweiterten Anschluss. Die Induktivität an PCB-Bahnen und internen Leiterrahmen ist in der Regel vernachlässigbar. Ein Magnet 84 wird an den zusätzlichen Emitter/Source-Anschlüssen 70, 76 angewendet, um die CM-Struktur zu erreichen. Das Leistungsmodul 74 beinhaltet ferner einen erweiterten Emitter/Source-Leiterrahmenanschluss 86. Daher wird ein Magnet 88 an den zusätzlichen Emitter/Source-Anschlüssen 72, 86 angewendet.
  • Die vorgeschlagene zusätzliche Emitter/Source-Strecke kann auch durch einen Bonddraht und Signalstifte umgesetzt sein. 10A zeigt ein derartiges Beispiel im Kontext des in den 2A und 2B beschriebenen Leistungsmoduls. Signalstifte 90, 92 sind jeweils für die Schaltelemente 12, 14 hinzugefügt und mit den Emitter/Source-Seiten der Leistungshalbleiter verbunden. Diese zusätzlichen Stifte sind ebenfalls durch PCB-Bahnen verbunden.
  • Um die Kopplungseffekte weiter zu verbessern und die äquivalente Induktivität in den zusätzlichen Strecken zu reduzieren, ist in 11 eine dritte Alternative gezeigt. Die zusätzlichen Emitter/Source-Leiterrahmenanschlüsse (9) oder Stifte (10) sind abgewinkelt und befinden sich nahe beieinander.
  • Somit wird eine zusätzliche Emitter/Source-Seiten-Strecke für parallele Halbbrücken-Leistungsmodule vorgeschlagen. Mögliche Vorteile einiger der hier in Betracht gezogenen Ausgestaltungen lassen sich wie folgt zusammenfassen. Bei parallelem Betrieb von Leistungshalbleitern können Gate-Schleifen-Schwingungen bei schnellen Schaltungsgeschwindigkeiten vermieden werden. Die Halbbrücken-Leistungsmodulstruktur ist im Wesentlichen unverändert und das Leistungsmodul ist weiterhin flexibel für Traktionswechselrichter mit unterschiedlichen Topologien und Nennleistungen in Fahrzeugen. Es können nur eine kleine Änderung an der Leistungsmodulausgestaltung und eine kurze Sammelschiene oder ein Magnet hinzugefügt sein. Zusätzliche Kosten sollten minimal sein. Bestimmte vorgeschlagene Ausgestaltungen können während der Montage des Leistungsmoduls und des Traktionswechselrichters realisiert werden. Normale Funktionen des Traktionswechselrichters, wie etwa der Wechselrichter-Phasenausgang und der Leistungshalbleiter-Gate-Antrieb, werden nicht beeinträchtigt. Die vorgeschlagenen Anordnungen können in unterschiedlichen Arten von Halbbrücken-Leistungsmodulen (einseitig oder zweiseitig gekühlten Leistungsmodulen, Leistungsmodulen, die Bonddrähte oder Leiterrahmen als Chip-Oberseiten-Verbindungen verwenden, usw.) angewendet werden.
  • Bei den in der Beschreibung verwendeten Ausdrücken handelt es sich um beschreibende und nicht um einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Offenbarung und der Patentansprüche abzuweichen. Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen als Vorteile bereitstellend oder in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik bevorzugt beschrieben worden sein können, liegt für den Durchschnittsfachmann auf der Hand, dass an einem oder mehreren Merkmalen oder einer oder mehreren Eigenschaften Abstriche gemacht werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Diese Attribute beinhalten Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw., sind aber nicht darauf beschränkt. Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert erscheinen als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik, liegen daher nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungselektronikschaltkreis bereitgestellt, der Folgendes aufweist: ein Paar paralleler Schaltelemente, die jeweils einen Gate-Anschluss, einen Kelvin-Source-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss beinhalten;
    eine Gate-Strecke, welche die Gate-Anschlüsse verbindet; eine Kelvin-Strecke, welche die Kelvin-Source-Anschlüsse verbindet; eine Source-Strecke, welche die Source-Anschlüsse verbindet; einen Gate-Treiber, der die Gate- und die Kelvin-Strecke in Anspruch nimmt und zum Antreiben der Gate-Anschlüsse konfiguriert ist, wobei der Gate-Treiber, die Gate-Strecke und die Kelvin-Strecke Abschnitte von Gate-Schleifen definieren; und eine zusätzliche Strecke außerhalb der Gate-Schleifen parallel zu der Kelvin- und der Source-Strecke.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch einen Magneten, der Anschlüsse der zusätzlichen Strecke umgibt, um eine Induktivität der zusätzlichen Strecke zu koppeln.
  • Gemäß einer Ausführungsform definiert eine Sammelschiene teilweise einen Abschnitt der zusätzlichen Strecke.
  • Gemäß einer Ausführungsform definieren das Paar, der Gate-Treiber und die Strecken Abschnitte einer Halbbrückenzelle.
  • Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Source-Strecke um einen mittleren Anschluss der Halbbrückenzelle.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch eine U/V/W-Phase, welche die Source-Strecke in Anspruch nimmt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch einen DC-Anschluss, der die Source-Strecke in Anspruch nimmt.
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet jedes der Schaltelemente eine Antiparalleldiode.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungselektronikschaltkreis bereitgestellt, der Folgendes aufweist: ein Paar paralleler Schaltelemente, die jeweils zwei Leistungsanschlüsse, zwei Steueranschlüsse und einen zusätzlichen Anschluss beinhalten, wobei einander entsprechende der beiden Leistungsanschlüsse eines jeweiligen des Paares über eine erste bzw. zweite Leistungsstrecke verbunden sind, einander entsprechende der beiden Steueranschlüsse eines jeweiligen des Paares über eine erste bzw. zweite Steuerstrecke verbunden sind und die zusätzlichen Anschlüsse über eine zusätzliche Strecke verbunden sind; einen Gate-Treiber, der die erste und die zweite Steuerstrecke in Anspruch nimmt; und einen Magneten, der die zusätzlichen Anschlüsse umgibt, um eine Induktivität der zusätzlichen Strecke zu koppeln.
  • Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei den Schaltelementen um Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistören.
  • Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei den Schaltelementen um Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode.
  • Gemäß einer Ausführungsform definiert eine Sammelschiene einen Abschnitt der zusätzlichen Strecke.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die zusätzlichen Anschlüsse zueinander hingebogen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungselektronikschaltkreis bereitgestellt, der Folgendes aufweist: ein Paar paralleler Schaltelemente, die jeweils einen Gate-Anschluss, einen Kelvin-Emitter, einen Kollektor und einen Emitter beinhalten; eine Gate-Strecke, welche die Gate-Anschlüsse verbindet; eine Kelvin-Strecke, welche die Kelvin-Emitter verbindet; eine Emitter-Strecke, welche die Emitter verbindet; einen Gate-Treiber, der die Gate- und die Kelvin-Strecke in Anspruch nimmt und zum Antreiben der Gate-Anschlüssen konfiguriert ist, wobei der Gate-Treiber, die Gate-Strecke und die Kelvin-Strecke Abschnitte von Gate-Schleifen definieren; und eine zusätzliche Strecke außerhalb der Gate-Schleifen parallel zu der Kelvin- und der Emitter-Strecke.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch einen Magneten, der die Anschlüsse der zusätzlichen Strecke umgibt, um eine Induktivität der zusätzlichen Strecke zu koppeln.
  • Gemäß einer Ausführungsform definiert eine Sammelschiene teilweise die zusätzliche Strecke.
  • Gemäß einer Ausführungsform definieren das Paar, der Gate-Treiber und die Strecken Abschnitte einer Halbbrückenzelle.
  • Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Emitter-Strecke um einen mittleren Anschluss der Halbbrückenzelle.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch eine U/V/W-Phase, welche die Emitter-Strecke in Anspruch nimmt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch einen DC-Anschluss, der die Emitter-Strecke in Anspruch nimmt.

Claims (15)

  1. Leistungselektronikschaltkreis, umfassend: ein Paar paralleler Schaltelemente, die jeweils einen Gate-Anschluss, einen Kelvin-Source-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss beinhalten; eine Gate-Strecke, welche die Gate-Anschlüsse verbindet; eine Kelvin-Strecke, welche die Kelvin-Source-Anschlüsse verbindet; eine Source-Strecke, welche die Source-Anschlüsse verbindet; einen Gate-Treiber, der die Gate- und die Kelvin-Strecke in Anspruch nimmt und zum Antreiben der Gate-Anschlüsse konfiguriert ist, wobei der Gate-Treiber, die Gate-Strecke und die Kelvin-Strecke Abschnitte von Gate-Schleifen definieren; und eine zusätzliche Strecke außerhalb der Gate-Schleifen parallel zu der Kelvin- und der Source-Strecke.
  2. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Magneten, der die Anschlüsse der zusätzlichen Strecke umgibt, um eine Induktivität der zusätzlichen Strecke zu koppeln.
  3. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 1, wobei eine Sammelschiene teilweise einen Abschnitt der zusätzlichen Strecke definiert.
  4. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 1, wobei das Paar, der Gate-Treiber und die Strecken Abschnitte einer Halbbrückenzelle definieren.
  5. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 4, wobei die Source-Strecke einen mittleren Anschluss der Halbbrückenzelle darstellt.
  6. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 1, wobei jedes der Schaltelemente eine Antiparalleldiode beinhaltet.
  7. Leistungselektronikschaltkreis, umfassend: ein Paar paralleler Schaltelemente, die jeweils zwei Leistungsanschlüsse, zwei Steueranschlüsse und einen zusätzlichen Anschluss beinhalten, wobei einander entsprechende der beiden Leistungsanschlüsse eines jeweiligen des Paares über eine erste bzw. zweite Leistungsstrecke verbunden sind, einander entsprechende der beiden Steueranschlüsse eines jeweiligen des Paares über eine erste bzw. zweite Steuerstrecke verbunden sind und die zusätzlichen Anschlüsse über eine zusätzliche Strecke verbunden sind; einen Gate-Treiber, der die erste und die zweite Steuerstrecke in Anspruch nimmt; und einen Magneten, der die zusätzlichen Anschlüsse umgibt, um eine Induktivität der zusätzlichen Strecke zu koppeln.
  8. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 7, wobei es sich bei den Schaltelementen um Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren handelt.
  9. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 7, wobei es sich bei den Schaltelementen um Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode handelt.
  10. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 7, wobei eine Sammelschiene einen Abschnitt der zusätzlichen Strecke definiert.
  11. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 7, wobei die zusätzlichen Anschlüsse zueinander hingebogen sind.
  12. Leistungselektronikschaltkreis, umfassend: ein Paar paralleler Schaltelemente, die jeweils einen Gate-Anschluss, einen Kelvin-Emitter, einen Kollektor und einen Emitter beinhalten; eine Gate-Strecke, welche die Gate-Anschlüsse verbindet; eine Kelvin-Strecke, welche die Kelvin-Emitter verbindet; eine Emitter-Strecke, welche die Emitter verbindet; einen Gate-Treiber, der die Gate- und die Kelvin-Strecke in Anspruch nimmt und zum Antreiben der Gate-Anschlüsse konfiguriert ist, wobei der Gate-Treiber, die Gate-Strecke und die Kelvin-Strecke Abschnitte von Gate-Schleifen definieren; und eine zusätzliche Strecke außerhalb der Gate-Schleifen parallel zu der Kelvin- und der Emitter-Strecke.
  13. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 12, ferner umfassend einen Magneten, der die Anschlüsse der zusätzlichen Strecke umgibt, um eine Induktivität der zusätzlichen Strecke zu koppeln.
  14. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 12, wobei eine Sammelschiene teilweise die zusätzliche Strecke definiert.
  15. Leistungselektronikschaltkreis nach Anspruch 12, wobei das Paar, der Gate-Treiber und die Strecken Abschnitte einer Halbbrückenzelle definieren.
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