DE102020207885A1 - Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe (10) für eine Vorrichtung (1) zur Energieversorgung einer elektrischen Last (3), mit einer Leistungsschaltvorrichtung (12), welche mindestens eine Halbbrücke (12.1) umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und einer Ansteuerschaltung (15) für die Leistungsschaltvorrichtung (12), wobei Halbleiterleistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke (12.1) als Gallium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorderseite eines Trägersubstrats ausgebildet sind, sowie eine Vorrichtung (1) zur Energieversorgung einer elektrischen Last (3) mit einer solchen Leistungsendstufe (10). Hierbei sind die Leistungsschaltvorrichtung (12) und die Ansteuerschaltung (15) basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie als monolithisches Schaltungsmodul ausgeführt, wobei die einzelnen Komponenten des monolithischen Schaltungsmoduls auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last nach Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine korrespondierende Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit einer solchen Leistungsendstufe.
  • Dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren werden in der Regel von einer Leistungsendstufe, welche vorzugsweise als B6-Inverter auf Basis von Silizium-Leistungshalbleitern ausgeführt ist, vorzugsweise mit einer feldorientierten Regelung angesteuert. Um die elektrische Last, hier den Gleichstrommotor, anzusteuern, wird neben den eigentlichen Halbleiterleistungsschaltern ein Brückentreiber eingesetzt, welcher die Halbleiterleistungsschalter ein- und ausschaltet. Typischerweise geschieht das bei Kleinmotoren mit einer Spannung von unter 60V und einer Leistung von unter 3kW mit einer Frequenz von ca. 20 kHz. Aufgrund von Schaltverlusten sollte die Frequenz so niedrig wie möglich aber oberhalb der menschlichen Hörschwelle gewählt werden.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannte Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ermöglicht für die Leistungshalbleiterschalter sehr viel höhere Schaltfrequenzen und niedrigere Widerstände pro Fläche als reine Silizium-Halbleiterschalter. Weiterhin ermöglicht die korrespondierende laterale Technologie eine Integration von weiteren aktiven und passiven Elementen auf dem gleichen Siliziumsubstrat, auf dem sich auch die Leistungshalbleiter befinden.
  • Aus der DE 10 2016 113 121 A1 ist eine Energieversorgungsvorrichtung bekannt, welche ein Energiemodul und einen Kondensator aufweist. Das Energiemodul weist invertierende Schaltungen auf und ist dafür ausgestaltet, einer elektrischen Maschine elektrische Energie zuzuführen. Der Kondensator ist dem Energiemodul benachbart angeordnet und dafür eingerichtet, eine Spannungsänderung aufgrund von Wellenstrom an dem Eingang der invertierenden Schaltungen zu begrenzen. Die invertierenden Schaltungen und der Kondensator sind mit einem monolithischen isolierenden Epoxid umspritzt und durch dieses gekapselt, so dass eine Spannungsisolierung zwischen dem Energiemodul und dem Kondensator bereitgestellt wird.
  • Aus der DE 10 2015 208 150 A1 ist eine gattungsgemäße Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last bekannt. Die Leistungsendstufe umfasst eine Leistungsschaltvorrichtung, welche mindestens eine Halbbrücke umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und eine Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltvorrichtung. Halbleiterleistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke sind als Gallium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorderseite eines Siliziumsubstrats ausgebildet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 18 haben jeweils den Vorteil, dass weitere Funktionalitäten zur Ansteuerung der Vorrichtung in einem monolithischen Schaltungsmodul integriert werden können und eine weitere Miniaturisierung ermöglicht wird. So können zur Ansteuerung einer beliebigen elektrischen Last beispielsweise mit Hilfe der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie mehrere Halbbrücken der Leistungsschaltvorrichtung und die korrespondierenden Treiber für diese Halbbrücken auf ein gemeinsames Trägersubstrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, aufgebracht werden. So können beispielsweise drei Halbbrücken einer B6-Brücke mit einer korrespondierenden Ansteuerschaltung zur Energieversorgung eines dreiphasigen Motors auf dem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet werden. Selbstverständlich kann auch jede andere beliebige Anzahl an für die Versorgung der elektrischen Last erforderlichen Halbbrücken auf dem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet werden. Zusätzlich können Schutzfunktionalitäten, wie beispielsweise eine Überstromschutzfunktion, Übertemperaturschutzfunktion usw., mit auf das gemeinsame Trägersubstrat aufgebracht werden.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last, mit einer Leistungsschaltvorrichtung, welche mindestens eine Halbbrücke umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und einer Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltvorrichtung zur Verfügung. Halbleiterleistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke sind als Gallium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorderseite eines Trägersubstrats ausgebildet. Hierbei sind die Leistungsschaltvorrichtung und die Ansteuerschaltung basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie als monolithisches Schaltungsmodul ausgeführt, wobei die einzelnen Komponenten des monolithischen Schaltungsmoduls auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind.
  • Zudem wird eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last, mit einer Energieversorgung, einem Steuergerät und einer solchen Leistungsendstufe vorgeschlagen.
  • Durch die Verschiebung der Ansteuerschaltung, welche auch eine Stromregelung für die Leistungsschaltvorrichtung ausführen kann, in das monolithische Schaltungsmodul können Ansteuerleitungen entfallen, welche normalerweise zu einer Brückentreiberschaltung geleitet werden müssen und es ist keinerlei Modulation seitens eines übergeordneten Steuergerätes erforderlich. Alle schnellen Signale und deren Schaltflanken „verlassen“ das monolithische Schaltungsmodul somit nicht. Hierdurch ist zu erwarten, dass das EMV-Verhalten positiv beeinflusst wird. Durch die geringe Anzahl an erforderlichen Kontakten ist eine besonders kompakte Realisierung möglich, da Kontaktpads eine minimale Größe schwer unterschreiten können. Zusätzlich ermöglicht es der vorgeschlagene Aufbau, dass EMV-Störungen reduziert werden können, welche sich durch springende Potentiale an den einzelnen Halbrücken über korrespondierende Koppelkapazitäten mit einem Kühlkörper im System ausbreiten können. Hierzu kann beispielsweise eine Kühlfläche der Leistungsschaltvorrichtung entweder direkt hart auf Masse gelegt werden, falls möglich, oder im monolithischen Schaltungsmodul kapazitiv direkt über Koppelkondensatoren definiert mit Masse verbunden werden. Zusätzliche Entstörkondensatoren bzw. Y-Kondensatoren sowie Kontaktierungselemente (z.B. SMD-Federn) werden dadurch überflüssig. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine leitfähige Wärmeleitpaste eingesetzt werden kann; diese sind mit sehr viel höheren Wärmeleitfähigkeiten als isolierende Pasten erhältlich.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last und der im unabhängigen Patentanspruch 18 angegebenen Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass Kondensatoren einer Zwischenkreiskapazität als Silizium-Kondensatoren ausgebildet und auf der Vorderseite und/oder Rückseite des Trägersubstrats angeordnet werden können. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden diese Silizium-Kondensatoren in Deep-Trench-Technologie auf der Rückseite des gemeinsamen Trägersubstrates ausgebildet, um die Versorgungsspannung zu puffern. Durch die hohen möglichen Schaltfrequenzen können die Silizium-Kondensatoren in Deep-Trench-Technologie auch bei Niedervoltinvertern bei einer Spannung von unter 60V für kleinere Leistungen von wenigen Kilowatt zur Darstellung eines Zwischenkreises eingesetzt werden. Durch die Anordnung der als Silizium-Kondensatoren ausgebildeten Zwischenkreiskapazität auf dem gemeinsamen Trägersubstrat ist eine extrem niederinduktive Anbindung an die Leistungsschaltvorrichtung möglich. So können die Silizium-Kondensatoren auf der Rückseite des gemeinsamen Trägersubstrats beispielsweise mittels Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat mit den Halbleiterleistungsschaltern auf der Vorderseite elektrisch kontaktiert werden. Bei einer lateralen Anordnung der als Silizium-Kondensatoren ausgebildeten Zwischenkreiskapazität auf der Vorderseite des gemeinsamen Trägersubstrats ist ebenfalls eine einfache elektrische Kontaktierung möglich. Hierdurch ist ein Aufbau ohne Durchkontaktierungen im Trägersubstrat möglich.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Bei dieser Ausgestaltung der Leistungsendstufe können Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität als Silizium-Kondensatoren auf separaten Trägersubstraten angeordnet und wie das monolithische Schaltungsmodul in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Alternativ können die Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität als mehrlagige Keramik-Kondensatoren in Chip-Bauweise (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) ausgebildet und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Ansteuerschaltung eine Stromregelung umfassen, welche ausgeführt ist, mindestens einen Messstrom, welcher einen korrespondierenden aktuellen Ausgangsstrom repräsentiert, und mindestens einen Referenzstrom als analoges Signal zu empfangen und miteinander zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs mindestens ein korrespondierendes Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben. Hierbei kann der mindestens eine Messstrom vorzugsweise innerhalb des monolithischen Schaltungsmoduls erfasst werden. Zudem kann die Ansteuerschaltung eine Treiberstufe umfassen, welche ausgeführt ist, das mindestens eine Schaltsignal von der Stromregelung zu empfangen, aufzubereiten und an die Leistungsschaltvorrichtung auszugeben. Durch die hohen Schaltfrequenzen werden andere Regelungsverfahren wie beispielsweise direktschaltende Verfahren möglich. Daher kann die Stromregelung für jede der Halbbrücken der Leistungsschaltvorrichtung einen Komparator umfassen, welcher ausgeführt ist, die korrespondierende Halbbrücke abzuschalten, wenn der Messstrom den korrespondierenden Referenzstrom überschreitet, und die korrespondierende Halbbrücke anzuschalten, wenn der Messstrom den korrespondierenden Referenzstrom unterschreitet.
  • Hierdurch wird es möglich, direkt über eine Sollwertvorgabe an die korrespondierenden Komparatoren die Halbleiterleistungsschalter direkt anzusteuern. Bei einem dreiphasigen Motor als elektrische Last werden daher nur noch drei analoge Referenzsignale für die Phasenströme an das monolithische Schaltungsmodul gesendet. Die Stromregelung findet mit Hilfe der Komparatoren direkt im monolithischen Schaltungsmodul statt. Der Referenzwert wird mit dem gemessenen Wert des Phasenstromes verglichen. Wird der Referenzwert überschritten wird ausgeschaltet, bei Unterschreitung wird angeschaltet. Somit stellt sich im Mittel der geforderte Referenzstrom ein. Zur Begrenzung der Schaltfrequenz können die einzelnen Komparatoren gesampelt und/oder mit Hysterese ausgeführt werden. Das digitale Ausgangssignal der Komparatoren kann dann direkt als Schaltzustandsbefehl für die einzelnen Halbleiterleistungsschalter dienen. Das jeweilige Referenzsignal ist ein analoges Signal, welches direkt den Strom in der elektrischen Last bzw. in den einzelnen Stator-Wicklungen des dreiphasigen Motors vorgibt. Es kann von einem zentralen Steuergerät vorgegeben werden, und enthält maximal die Maschinenfrequenzen (inklusive explizit eingeprägter Oberwellen). Die Freiheitsgrade für die Ansteuerung der elektrischen Last liegen so weiterhin im Steuergerät, die schnelle Stromdynamik wird jedoch in das monolithische Schaltungsmodul verschoben, was die Anforderungen an die Dynamik und Rechenleistung des Steuergerätes deutlich senken und zu einem Kostenvorteil führen kann. Gleichzeitig kann man durch die schnellen Hardware-Komparatoren einen sehr dynamischen Stromregler mit hoher Bandbreite erhalten, welcher sich die erhöhte Aktuator-Bandbreite, welche durch die Erhöhung der Schaltfrequenz entsteht, auch kostengünstig zu Nutze machen kann. Würde man die Stromregelung weiterhin im Steuergerät ausführen, wäre für eine Erhöhung der Bandbreite der Stromregelung automatisch ein leistungsfähigeres Steuergerät notwendig, was Mehrkosten verursacht.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann das monolithische Schaltungsmodul eine elektrische Schnittstelle umfassen, welche ausgeführt ist, Signale von externen Komponenten und/oder Baugruppen zu empfangen. Hierbei kann die elektrische Schnittstelle ein Versorgungsspannungspotential, ein Massepotential und den mindestens einen Referenzstrom empfangen.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Ansteuerschaltung für die mindestens eine Halbbrücke jeweils ein ARCP-Modul (ARCP: Auxiliary Resonant Commutated Pole) umfassen, welches zwei Hilfsschalter und eine Drosselspule aufweist und ausgeführt ist, die Halbleiterleistungsschalter der korrespondierenden Halbbrücke an einem spannungslosen Schaltzeitpunkt zu schalten. Dadurch kann ein hartes Abschalten mit einem hohen Spannungssprung vermieden und ein weiches Abschalten an einem quasi spannungslosen Schaltzeitpunkt umgesetzt werden. Hierbei sind zumindest die beiden Hilfsschalter in das monolithische Schaltungsmodul integriert und mit den Halbleiterleistungsschaltern der jeweiligen Halbbrücke auf dem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet. Ein großer Vorteil des ARCP-Moduls besteht darin, dass durch den Wegfall der Schaltverluste in der mindestens einen Halbbrücke deren Schaltfrequenz deutlich erhöht werden kann. Dadurch können die passiven Bauelemente, wie beispielsweise die Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität oder ein eventuell vorhandener Sinus- oder Flankenfilter deutlich kleiner und günstiger ausgeführt werden. Zudem kann durch die geringere Verlustleistung die Halbleiterfläche reduziert werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe können die beiden Hilfsschalter als Gallium-Nitrit-Halbleiter zu einem bidirektional sperrenden Hilfsschalter zusammengefasst und auf der Vorderseite des Trägersubstrats ausgebildet werden. Durch die Ausführung als bidirektional sperrender Hilfsschalter kann im Vergleich zu einem klassischen ARCP-Modul, bei welchem zwei antiparallele Schalter als Hilfsschalter eingesetzt werden, die erforderliche Halbleiterfläche halbiert werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Drosselspule kernlos als Leiterbahn im Trägersubstrat ausgebildet werden. Dies wird durch die hohen Schaltfrequenzen ermöglicht. Da keinerlei Kernmaterialien erforderlich sind, kann ein komplexer Aufbau der Drosselspule vermieden werden. Alternativ kann die Drosselspule kernlos als Leiterbahn der mehrlagigen Leiterplatte der Leistungsendstufe ausgebildet werden. Das bedeutet, dass die Drosselspule wie die Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden kann, in welche das monolithische Schaltungsmodul eingebettet oder auf welcher das monolithische Schaltungsmodul angeordnet ist.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Ansteuerschaltung ausgeführt sein, den spannungslosen Schaltzeitpunkt durch eine integrierte Strommessung und/oder durch eine adaptive Verzögerungskette zu ermitteln. Die Schwierigkeit beim Betrieb der mindestens einen Halbbrücke mit dem ARCP-Modul besteht darin, in dynamischen Arbeitspunkten immer das weiche Schalten zu garantieren. Das bedeutet, dass auch, wenn die Mittenspannung eines geteilten Zwischenkreises über viele Parameter, wie beispielsweise Lastpunkt, Zwischenkreisspannung, Dynamik, Temperatur usw. variiert und sich somit die „Ladezeit“ der Induktivität verändert, immer sichergestellt werden muss, dass die richtigen Zeitpunkte für das Ein- und Ausschalten der Hilfsschalter „getroffen“ werden. Dieses Problem kann eliminiert werden, wenn der „richtige“ Zeitpunkt gemessen und/oder durch die adaptive Verzögerungskette ermittelt wird.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Leistungsschaltvorrichtung beispielsweise als B6-Inverter mit drei Halbbrücken ausgeführt werden. Hierbei kann eine Kühlfläche des B6-Inverters direkt oder über mindestens einen Koppelkondensator, welcher eine definierte Kapazität aufweist, mit Masse verbunden werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last kann die elektrische Schnittstelle ausgeführt sein, ein Versorgungsspannungspotential und ein Massepotential der Energieversorgung und den mindestens einen Referenzstrom von dem Steuergerät zu empfangen.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last kann die elektrische Last als dreiphasiger bürstenlosen Gleichstrommotor ausgeführt sein, wobei die Halbbrücken des B6-Inverters jeweils mit einer Phase des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors verbindbar sind.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsendstufe.
    • 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsendstufe.
    • 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ansteuerschaltung für eine Halbbrücke der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe aus 1.
    • 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ARCP-Moduls für eine Halbbrücke der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe aus 2.
    • 5 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung der als monolithisches Schaltungsmodul ausgeführten Leistungsendstufe aus 1.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, 1A, 1B zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3, jeweils eine Energieversorgung 5, ein Steuergerät 7 und eine erfindungsgemäße Leistungsendstufe 10, 10A, 10B.
  • Wie aus 1 bis 4 weiter ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe 10, 10A, 10B für die Vorrichtung 1, 1A, 1B zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3, jeweils eine Leistungsschaltvorrichtung 12, 12A, 12B, welche mindestens eine Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und eine Ansteuerschaltung 15, 15A, 15B für die Leistungsschaltvorrichtung 12, 12A, 12B, wobei Halbleiterleistungsschalter T1, T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B als Gallium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorderseite eines Trägersubstrats SiS ausgebildet sind. Hierbei sind die Leistungsschaltvorrichtung 12, 12A, 12B und die Ansteuerschaltung 15, 15A, 15B basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie als monolithisches Schaltungsmodul ausgeführt. Die einzelnen Komponenten des monolithischen Schaltungsmoduls sind auf einem gemeinsamen Trägersubstrat SiS angeordnet.
  • Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist die elektrische Last 3 in den dargestellten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 1, 1A, 1B jeweils als dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor 3A ausgeführt. Die korrespondierenden Leistungsschaltvorrichtungen 12, 12A, 12B sind jeweils als B6-Inverter mit drei Halbbrücken 12.1, 12.1A, 12.1B ausgeführt, wobei die Halbbrücken 12.1, 12.1A, 12.1B des B6-Inverters jeweils mit einer Phase U, V, W des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors 3A verbunden sind. Zudem ist eine Kühlfläche des B6-Inverters direkt oder über mindestens einen Koppelkondensator, welcher eine definierte Kapazität aufweist, mit Masse GND verbunden. Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Leistungsschaltvorrichtung 12 auch weniger oder mehr als drei Halbbrücken 12.1 aufweisen. Zudem kann die Vorrichtung 1 zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3 auch eine andere elektrische Last 3 als einen dreiphasigen Gleichstrommotor 3A mit Energie versorgen.
  • Wie aus 1, 2 und 5 weiter ersichtlich ist, sind Kondensatoren C, C1, C2 einer Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B zur Pufferung einer Versorgungsspannung UBat in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils auf dem Trägersubstrat SiS angeordnet. Somit sind die Zwischenkreiskapazitäten 14, 14A, 14B in den dargestellten Ausführungsbeispielen ebenfalls in das monolithische Schaltungsmodul integriert.
  • Bei nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leistungsendstufe 10 ist das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet. Bei diesen Ausführungsbeispielen können die Kondensatoren C, C1, C2 der Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B auf separaten Trägersubstraten angeordnet und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Alternativ können die Kondensatoren C, C1, C2 der Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B bei diesen Ausführungsbeispielen direkt in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden.
  • Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 15 eine Stromregelung 18, welche ausgeführt ist, mindestens einen Messstrom Im(U,V,W, welcher einen korrespondierenden aktuellen Ausgangsstrom lo(U,V,W) repräsentiert, und mindestens einen Referenzstrom Ir(U,V,W) als analoges Signal zu empfangen und miteinander zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs mindestens ein korrespondierendes Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben. Hierzu umfasst die Stromregelung 18 in den dargestellten Ausführungsbeispielen für jede der Halbbrücken 12.1, 12.1A, 12.1B der Leistungsschaltvorrichtung 12, 12A, 12B einen Komparator 18.1, welcher ausgeführt ist, die korrespondierende Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B abzuschalten, wenn der Messstrom Im(U,V,W den korrespondierenden Referenzstrom Ir(U,V,W) überschreitet, und die korrespondierende Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B anzuschalten, wenn der Messstrom Im(U,V,W) den korrespondierenden Referenzstrom Ir(U,V,W) unterschreitet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Stromregelung 18 ist der Komparator 18.1 durch ein Taktsignal TS getaktet. Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, wird der mindestens eine Messstrom Im(U,V,W) im dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb des monolithischen Schaltungsmoduls erfasst.
  • Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 15, 15A, 15B in den dargestellten Ausführungsbeispielen eine Treiberstufe 16, welche eine Gate-Ansteuerung 16A umfasst und ausgeführt ist, das mindestens eine Schaltsignal von der Stromregelung 18 bzw. dem korrespondierenden Komparator 18.1 zu empfangen, aufzubereiten und an die beiden Halbleiterleistungsschalter T1, T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B der Leistungsschaltvorrichtung 12 auszugeben.
  • Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst das monolithische Schaltungsmodul eine elektrische Schnittstelle 13, welche ausgeführt ist, Signale von externen Komponenten und/oder Baugruppen zu empfangen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen empfängt die elektrische Schnittstelle 13 jeweils das Versorgungsspannungspotential UBat und ein Massepotential GND von der Energieversorgung 5 und den mindestens einen Referenzstrom Ir(U,V,W) von dem Steuergerät 7. Zur Erzeugung des mindestens einen Referenzstroms Ir(U,V,W) wertet das Steuergerät 7 Ausgangssignale einer Sensorik DWM aus, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel den Drehwinkel des dreiphasigen Gleichstrommotors 3A erfasst und die korrespondieren Ausgangssignale erzeugt.
  • Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst die Zwischenkreiskapazität 14A im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10A einen Kondensator C, welcher als Silizium-Kondensator ausgebildet ist. Dieser Silizium-Kondensator C ist in Deep-Trench-Technologie auf der Rückseite des gemeinsamen Trägersubstrates SiS ausgebildet, um die Versorgungsspannung UBat zu puffern. Hierbei ist der Silizium-Kondensator C mittels nicht dargestellter Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat SiS mit der Leistungsschaltvorrichtung 12A elektrisch kontaktiert.
  • Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist die Zwischenkreiskapazität 14B im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10B geteilt ausgeführt und umfasst zwei Kondensatoren C1, C2, welche jeweils als Silizium-Kondensatoren in Deep-Trench-Technologie auf der Rückseite des gemeinsamen Trägersubstrates SiS ausgebildet sind, um die Versorgungsspannung UBat zu puffern. Hierbei sind die Silizium-Kondensatoren C1, C2 mittels nicht dargestellter Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat SiS mit der Leistungsschaltvorrichtung 12B elektrisch kontaktiert.
  • Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leistungsendstufe 10 ist das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet. Bei diesen Ausführungsbeispielen können die Kondensatoren C, C1, C2 der Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B als Silizium-Kondensatoren auf separaten Trägersubstraten ausgebildet werden und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen können die Kondensatoren C, C1, C2 der Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B alternativ als mehrlagige Keramik-Kondensatoren in Chip-Bauweise (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) ausgebildet und direkt in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden.
  • Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 15B für die mindestens eine Halbbrücke 12.1B im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10B zusätzlich jeweils ein ARCP-Modul 16B, welches Teil der Treiberstufe 16 ist und zwei Hilfsschalter T3, T4 und eine Drosselspule 16.2 aufweist und ausgeführt ist, die Halbleiterleistungsschalter T1, T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1B in einem spannungslosen Schaltzeitpunkt zu schalten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des ARCP-Moduls 16B sind die beiden Hilfsschalter T3, T4 als Gallium-Nitrit-Halbleiter zu einem bidirektional sperrenden Hilfsschalter 16.1 zusammengefasst und mit den Halbleiterleistungsschaltern T1, T2 der einzelnen Halbbrücken 12.1B auf der Vorderseite des Trägersubstrats SiS ausgebildet. Die Drosselspule 16.2 ist kernlos als Leiterbahn im Trägersubstrat SiS ausgebildet.
  • Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10, bei welchem das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet ist, ist die Drosselspule 16.2 kernlos als Leiterbahn der mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet.
  • Bei dem dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10B ist die Ansteuerschaltung 15B bzw. das ARCP-Modul 16B ausgeführt, den spannungslosen Schaltzeitpunkt durch eine integrierte Strommessung zu ermitteln. Nachfolgend wird beispielhaft der Umschaltvorgang von einem ersten Halbleiterleistungsschalter T1 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1B auf einen zweiten Halbleiterleistungsschalter T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1B beschrieben. Hierzu wird der bidirektional sperrende Hilfsschalter 16.1 leitend geschaltet, so dass ein Strom IL durch die Drosselspule 16.2 steigt. Wenn ein Strom IT1 durch den ersten Halbleiterleistungsschalter T1 größer als Null ist, ist der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 größer als der korrespondierende Ausgangsstrom Io(U,V,W) und der erste Halbleiterleistungsschalter T1 wird sperrend bzw. ausgeschaltet. Daraufhin schwingt die Knotenspannung US, welche über dem ersten Halbleiterleistungsschalter T1 abfällt, von 0V auf die Versorgungsspannung UBat. Dadurch ist der zweite Halbleiterleistungsschalter T2 spannungsfrei und kann verlustlos leitend bzw. eingeschaltet werden. Zudem bleibt der bidirektional sperrende Hilfsschalter 16.1 noch einmal für mindestens die gleiche Zeitspanne eingeschaltet, damit sich der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 abbauen kann. Dies kann beispielsweise mit einer monostabilen Kippstufe oder einem geschalteten Schieberegister umgesetzt werden. Zur Umsetzung wird entweder der Strom IT1 durch den ersten Halbleiterleistungsschalter T1 oder die über dem ersten Halbleiterleistungsschalter T1 abfallende Knotenspannung US gemessen.
  • Alternativ kann der spannungslose Schaltzeitpunkt durch eine adaptive Verzögerungskette ermittelt werden. Analog zur integrierten Strommessung wird nachfolgend beispielhaft der Umschaltvorgang von dem ersten Halbleiterleistungsschalter T1 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1B auf den zweiten Halbleiterleistungsschalter T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1B beschrieben. Hierzu wird der bidirektional sperrende Hilfsschalter 16.1 leitend geschaltet, so dass der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 steigt. Nach Ablauf einer Verzögerungszeitspanne TV1, welche durch eine Anzahl von Verzögerungsschritten mit identischer Zeitspanne vorgegeben wird, wird der erste Halbleiterleistungsschalter T1 sperrend bzw. ausgeschaltet. Die gewünschte Totzeit TV2 zwischen dem Schalten des ersten Halbleiterleistungsschalters T1 und des zweien Halbleiterleistungsschalters T2 kann entweder intern oder durch eine externe Beschaltung vorgegeben werden. Der zweite Halbleiterleistungsschalter T2 wird leitend bzw. eingeschaltet, wenn die Knotenspannung US ungefähr so groß wie die Versorgungsspannung UBat oder die gewünschte Verzögerungszeitspanne für die Totzeit TV2 abgelaufen ist. Anschließend bleibt der bidirektional sperrende Hilfsschalter 16.1 noch einmal mindestens für die vorgegebene Verzögerungszeitspanne TV1 leitend bzw. eingeschaltet, damit sich der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 abbauen kann. Entspricht die Knotenspannung US nach Ablauf der gewünschten Verzögerungszeitspanne für die Totzeit TV2 ungefähr der Versorgungsspannung UBat, dann wird die vorgegebene Verzögerungszeitspanne TV1 nicht verändert. Erreicht die Knotenspannung US die Versorgungsspannung UBat vor Ablauf der gewünschten Verzögerungszeitspanne für die Totzeit TV2, dann wird die vorgegebene Verzögerungszeitspanne TV1 um einen Verzögerungsschritt verkleinert. Wird die gewünschte Verzögerungszeitspanne für die Totzeit TV2 überschritten, dann wird die vorgegebene Verzögerungszeitspanne TV1 um einen Verzögerungsschritt erhöht.
  • Beide beschriebenen Verfahren sind prinzipiell in NMOS-Logik realisierbar, die erste kann jedoch nur bei ausreichend genauer Strommessung verwendet werden. Die zweite Methode ist durch ihre adaptive Natur unempfindlicher gegen Parameterstreuungen, benötigt aber insgesamt mehr Logikelemente als die erste. Es können auch beide Verfahren kombiniert werden, wenn beispielsweise die Strommessung allein nicht ausreichend genau ist, aber dennoch dazu verwendet werden kann, das Einstellen der adaptiven Verzögerungskette zu unterstützen bzw. zu verifizieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016113121 A1 [0004]
    • DE 102015208150 A1 [0005]

Claims (20)

  1. Leistungsendstufe (10) für eine Vorrichtung (1) zur Energieversorgung einer elektrischen Last (3), mit einer Leistungsschaltvorrichtung (12), welche mindestens eine Halbbrücke (12.1) umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und einer Ansteuerschaltung (15) für die Leistungsschaltvorrichtung (12), wobei Halbleiterleistungsschalter (T1, T2) der mindestens einen Halbbrücke (12.1) als Gallium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorderseite eines Trägersubstrats (SiS) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltvorrichtung (12) und die Ansteuerschaltung (15) basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie als monolithisches Schaltungsmodul ausgeführt sind, wobei zumindest die einzelnen aktiven Komponenten des monolithischen Schaltungsmoduls auf einem gemeinsamen Trägersubstrat (SiS) angeordnet sind.
  2. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensatoren (C, C1, C2) einer Zwischenkreiskapazität (14) als Silizium-Kondensatoren ausgebildet und auf der Vorderseite und/oder Rückseite des Trägersubstrats (SiS) angeordnet sind.
  3. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet ist.
  4. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensatoren (C, C1, C2) der Zwischenkreiskapazität (14) als Silizium-Kondensatoren auf separaten Trägersubstraten oder als mehrlagige Keramik-Kondensatoren in Chip-Bauweise ausgebildet und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet sind.
  5. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (15) eine Stromregelung (18) umfasst, welche ausgeführt ist, mindestens einen Messstrom (Im(U,V,W)), welcher einen korrespondierenden aktuellen Ausgangsstrom (Io(U,V,W)) repräsentiert, und mindestens einen Referenzstrom (Ir(U,V,W)) als analoges Signal zu empfangen und miteinander zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs mindestens ein korrespondierendes Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben.
  6. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messstrom (Im(U,V,W)) innerhalb des monolithischen Schaltungsmoduls erfassbar ist.
  7. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelung (18) für jede der Halbbrücken (12.1) der Leistungsschaltvorrichtung (12) einen Komparator (18.1) umfasst, welcher ausgeführt ist, die korrespondierende Halbbrücke (12.1) abzuschalten, wenn der Messstrom (Im(U,V,W)) den korrespondierenden Referenzstrom (Ir(U,V,W)) überschreitet, und die korrespondierende Halbbrücke (12.1) anzuschalten, wenn der Messstrom (Im(U,V,W)) den korrespondierenden Referenzstrom (Ir(U,V,W)) unterschreitet.
  8. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (15) eine Treiberstufe (16) umfasst, welche ausgeführt ist, das mindestens eine Schaltsignal von der Stromregelung (18) zu empfangen, aufzubereiten und an die Leistungsschaltvorrichtung (12) auszugeben.
  9. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Schaltungsmodul eine elektrische Schnittstelle (13) umfasst, welche ausgeführt ist, Signale von externen Komponenten und/oder Baugruppen zu empfangen.
  10. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schnittstelle (13) ausgeführt ist, ein Versorgungsspannungspotential (UBat), ein Massepotential (GND) und den mindestens einen Referenzstrom (Ir(U,V,W)) zu empfangen.
  11. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (15) für die mindestens eine Halbbrücke (12.1) jeweils ein ARCP-Modul (16B) umfasst, welches zwei Hilfsschalter (T3, T4) und eine Drosselspule (16.2) aufweist und ausgeführt ist, die Halbleiterleistungsschalter (T1, T2) der korrespondierenden Halbbrücke (12.1) an einem spannungslosen Schaltzeitpunkt zu schalten.
  12. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hilfsschalter (T3, T4) als Gallium-Nitrit-Halbleiter zu einem bidirektional sperrenden Hilfsschalter (16.1) zusammengefasst und auf der Vorderseite des Trägersubstrats (SiS) ausgebildet sind.
  13. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselspule (16.2) kernlos als Leiterbahn im Trägersubstrat (SiS) ausgebildet ist.
  14. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselspule (16.2) kernlos als Leiterbahn der mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet ist.
  15. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (15) ausgeführt ist, den spannungslosen Schaltzeitpunkt durch eine integrierte Strommessung und/oder durch eine adaptive Verzögerungskette zu ermitteln.
  16. Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltvorrichtung (12) als B6-Inverter mit drei Halbbrücken (12.1) ausgeführt ist.
  17. Leistungsendstufe (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlfläche des B6-Inverters direkt oder über mindestens einen Koppelkondensator, welcher eine definierte Kapazität aufweist, mit Masse (GND) verbunden ist.
  18. Vorrichtung (1) zur Energieversorgung einer elektrischen Last (3), mit einer Energieversorgung (5), einem Steuergerät (7) und einer Leistungsendstufe (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsendstufe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgeführt ist.
  19. Vorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schnittstelle (13) ausgeführt ist, ein Versorgungsspannungspotential (UBat) und ein Massepotential (GND) der Energieversorgung (5) und den mindestens einen Referenzstrom (lr(U,V,W)) von dem Steuergerät (7) zu empfangen.
  20. Vorrichtung (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Last (3) als dreiphasiger bürstenlosen Gleichstrommotor (3A) ausgeführt ist, wobei die Halbbrücken (12.1) des B6-Inverters jeweils mit einer Phase (U, V, W) des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors (3A) verbindbar sind.
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