-
TECHNISCHES GEBIET
-
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.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
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.
-
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.
-
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. Das schnelle Schalten der Leistungshalbleiter ist jedoch mit einem Nachteil verbunden: hochfrequente Stromfluktuationen spielen zunehmend eine Rolle und führen zur Beeinträchtigung der Funktionalitäten. Auch können diese hochfrequenten Stromfluktuationen zu hohen Überspannungen während der Schaltvorgänge führen. Daher ist es wichtig, solche hochfrequenten Stromfluktuationen zu reduzieren oder deren Effekte zu minimieren.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Effekte hochfrequenter Stromfluktuationen im Leistungsmodul bei gleichzeitiger kurzer Schaltzeit zu minimieren.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, ein Steuergerät gemäß Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 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. Das Leistungsmodul ist in einem Steuergerät, etwa einem DC/AC-Wechselrichter oder einem AC/DC-Gleichrichter, verbaut. Im Bereich der Elektromobilität kann das erfindungsgemäße Leistungsmodul in 48V-, 400V- und/oder 800V-Anwendungen Einsatz finden.
-
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 vorzugsweise 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.
-
Das erste Schaltelement weist vorzugsweise ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlücke auf, die größer ist als eine zweite Bandlücke im zweiten Schaltelement. Somit basieren beide Schaltelemente auf zwei verschiedenen Halbleitermaterialien, deren Bandlücken verschieden sind.
-
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.
-
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“).
-
Das Leistungsmodul umfasst einen Leistungseingang zum Einspeisen einer Eingangsleistung. Der Leistungseingang weist einen Positivpol und einen Negativpol auf. Der Leistungseingang umfasst einen Isolierschichtaufbau mit einer ersten Isolierschicht und einer zur ersten Isolierschicht im Wesentlichen parallel ausgerichteten zweiten Isolierschicht. Der Positivpol und der Negativpol des Leistungseingangs sind durch den Isolierschichtaufbau voneinander elektrisch getrennt.
-
Auf diese Weise ist ein Leistungsmodul mit einer signifikant reduzierten Kommutierungsinduktivität geschaffen, wodurch hohe Überspannungen vermieden sind. Außerdem können hochfrequente Stromfluktuationen vermieden werden. Die Störfestigkeit des Leistungsmoduls ist daher erhöht. Auch ist eine Eingangskapazität direkt in Form eines Plattenkondensators geschaffen, der die erste und zweite Isolierschicht als Kondensatorplatten umfasst. Ein separater externer Kondensator ist daher nicht erforderlich. Dies vereinfacht den Aufbau und Kosten des Leistungsmoduls.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Isolierschichtaufbau mit dem zumindest einen Leistungsschalter in einer vertikalen Richtung überlappungsfrei angeordnet.
-
Die Ebene des Isolierschichtaufbaus ist in einer horizontalen Richtung. Somit ist der Isolierschichtaufbau derart ausgestaltet, dass sich dieser in der vertikalen Richtung senkrecht zur Ebene des Isolierschichtaubaus nicht mit dem zumindest einen Leistungsschalter überschneidet. Aus der Überlappungsfreiheit ergibt sich, dass der Isolierschichtaufbau besonders unabhängig von den strukturellen Einzelheiten des zumindest einen Leistungsschalters und daher mit reduziertem Aufwand realisierbar ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Isolierschichtaufbau in einer ersten horizontalen Richtung, die zumindest teilweise senkrecht zu einer zweiten horizontalen Richtung ist, wobei der zumindest eine Leistungsschalter ein Highside-Schalter ist, wobei die Brückenschaltung zusätzlich einen Lowside-Schalter umfasst, wobei die zweite horizontale Richtung durch eine Verbindung zwischen dem Highside-Schalter und dem Lowside-Schalter definiert ist.
-
Der Isolierschichtaufbau erstreckt sich vorzugsweise senkrecht zur zweiten horizontalen Richtung des Leistungsmoduls. Der Isolierschichtaufbau kann einen Verlauf annehmen, der entlang einer horizontalen Ebene zumindest einmal eine Richtungsänderung aufweist. Somit kann die Kommutierungsinduktivität wirksam reduziert werden, wodurch Überspannungen und Beeinträchtigungen der Funktionalitäten des Leistungsmoduls vermieden werden können.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Isolierschichtaufbau in einem DC-seitigen Bereich des Leistungsmoduls beschränkt.
-
Vorzugsweise ist der Isolierschichtaufbau mit dem zumindest einen Leistungsschalter in einer vertikalen Richtung überlappend angeordnet. Weiter vorzugsweise umfasst ein mit dem Leistungsschalter (142, 144) in der vertikalen Richtung überlappender Bereich des Isolierschichtaufbaus (123) zumindest zwei in einer horizontalen Richtung voneinander beabstandete Abschnitte.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zumindest eine Leistungsschalter ein erstes Schaltelement und ein zu diesem reihengeschaltetes zweites Schaltelement auf, wobei das erste Schaltelement ein verschiedenes Halbleitermaterial als das zweite Schaltelement aufweist, wobei das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement durch eine flexible Kontaktierung miteinander verbunden sind.
-
Die flexible Kontaktierung kann beispielsweise eine Bogenform aufweisen, die es erlaubt, Vibrationen und Erschütterungen abzufedern und wirksam einzudämpfen. Das erste Schaltelement kann einen Transistor, etwa einen High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT), aufweisen. Das zweite Schaltelement kann ebenfalls einen Transistor, etwa einen Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor (MOSFET) aufweisen. Das erste Schaltelement kann ein erstes Halbleitermaterial aufweisen, welches eine größere Bandlücke hat als ein zweites Halbleitermaterial im zweiten Schaltelement.
-
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 in Seitenansicht;
- 2 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts mit einem Leistungsmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform in Seitenansicht;
- 3 eine schematische Darstellung einer Schaltung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verhaltens eines Rauschsignals mehrerer Leistungsmodule unterschiedlicher Aufbauten; und
- 5 eine weitere schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verhaltens eines Rauschsignals mehrerer Leistungsmodule unterschiedlicher Aufbauten; und.
-
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
-
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 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.
-
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.
-
Das Leistungsmodul 10 umfasst einen Leistungseingang 12 zum Einspeisen einer Eingangsleistung, die in diesem Beispiel eine DC-Spannung bzw. einen DC-Strom umfasst. Der Leistungseingang 12 umfasst einen Positivpol 122 und einen Negativpol 124. Der Positivpol 122 erstreckt sich in einer ersten horizontalen Richtung, die in die Zeichnungsebene hineinzeigt. Auch der Negativpol 124 erstreckt sich in der ersten horizontalen Richtung, wobei der Negativpol 124 einen Abschnitt aufweist, der in einer zweiten horizontalen Richtung, die senkrecht zur ersten horizontalen Richtung steht, weiter verläuft. In einer vertikalen Richtung, die in der Zeichnungsebene senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus des gesamten Leistungsmoduls steht, sind der Positivpol 122 und der Negativpol 124 voneinander durch einen Isolierschichtaufbau 123 elektrisch voneinander getrennt. Zwischen einer ersten Isolierschicht 1232 und einer zweiten Isolierschicht 1234 ist eine Kupferschicht angeordnet. Somit fungieren der Positivpol 122, der Negativpol 124 sowie die Kupferschicht zwischen der ersten und der zweiten Isolierschicht 1232, 1234 als Elektroden für zwei Plattenkondensatoren, die den DC-seitigen Kondensatoren C2, C3 in 1 entsprechen.
-
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.
-
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 dem Positivpol 122 des Leistungseingangs 12 über einen Abschnitt einer Kupferbeschichtung 148. Diese Kupferbeschichtung 148 erstreckt sich in der zweiten horizontalen Richtung über die Breite der Brückenschaltung 14 und umfasst mehrere, räumlich voneinander beabstandete Abschnitte. 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 vorzugsweise 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.
-
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.
-
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.
-
Im Unterschied zum HS-Schalter 142 kann beim LS-Schalter 144 die Isolierschicht 146 in den Bereichen des ersten und zweiten Schaltelements 1442, 1444 gleichermaßen ausgebildet sein.
-
In dem in 2 gezeigten Beispiel ist der Isolierschichtaufbau 123 in einem DC-seitigen Endbereich des Leistungsmoduls 10 räumlich eingeschränkt. Somit ist der Isolierschichtaufbau 123 mit den Leistungsschaltern 142, 144 überlappungsfrei. 3 zeigt ein weiteres Beispiel des Leistungsmoduls 11, das im Wesentlichen ähnlich aufgebaut ist wie das in 2 gezeigte Beispiel. Im Unterschied zum Letzteren erstreckt sich der Isolierschichtaufbau 123 in 3 jedoch in der zweiten horizontalen Richtung, derart, dass sich der Isolierschichtaufbau 123 mit den Leistungsschaltern 142, 144 in der vertikalen Richtung überlappt.
-
4 und 5 zeigen je ein Diagramm, in dem mehrere Kurven D0 bis D2 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 statt des erfindungsgemäßen, doppellagigen Isolierschichtaufbaus nur eine einzelne Isolierschicht zwischen dem Positivpol 122 und dem Negativpol 124 des Leistungseingangs 12 verwendet wird. Die Kurve D1 bezieht sich auf den in 2 gezeigten Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10. Die Kurve D2 bezieht sich auf den in 3 gezeigten Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 11. Wie in den Kurven ersichtlich, ist das Verhältnis r des Störsignals relativ zur Ausgangsleistung bei den erfindungsgemäßen Leistungsmodulen 10, 11 geringer als beim konventionellen Aufbau. Dies zeigt, dass die doppelschichtige Struktur des Isolierschichtaufbaus 123 die Störfestigkeit des Leistungsmoduls 10, 11 gegen hochfrequente Stromfluktuationen erhöht. Außerdem ist ein DC-seitiger Kondensator C2, C3 als im Leistungsmodul 10, 11 eingebetteter Kondensator realisiert, was gegenüber Einsatz von externen Kondensatoren außerhalb des Leistungsmoduls platzsparender und kostengünstiger ist, da beispielsweise kein zusätzlicher Herstellungsschritt zum Einbringen des externen Kondensators erforderlich ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Leistungsmodul
- 12
- Leistungseingang
- 122
- Positivpol
- 123
- Isolierschichtaufbau
- 1232
- erste Isolierschicht
- 1234
- zweite Isolierschicht
- 124
- Negativpol
- 14
- Brückenschaltung
- 142
- HS-Schalter
- 1422
- erstes Schaltelement
- 1423, 1425
- Kontaktierung
- 1424
- zweites Schaltelement
- 144
- LS-Schalter
- 1442
- erstes Schaltelement
- 1443, 1445
- Kontaktierung
- 1444
- zweites Schaltelement
- 146
- Isolierschicht
- 1462
- erster Bereich
- 1464
- zweiter Bereich
- 149
- Lötschicht oder Sinterschicht
- 16
- Leistungsausgang
- 18
- Kühler
- 20
- Steuergerät
- C1-C6
- Kondensatoren
- D0-D2
- Messkurven
