DE102021203864A1

DE102021203864A1 - Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter, sowie Elektronikmodul

Info

Publication number: DE102021203864A1
Application number: DE102021203864.6A
Authority: DE
Inventors: Fabian Hohmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2022-10-20

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters, umfassend mindestens drei Leistungshalbleiter, die zueinander parallel geschaltet sind, wobei der erste Leistungshalbleiter als unipolares Halbleiterbauelement gebildet ist, der zweite Leistungshalbleiter als bipolares Halbleiterbauelement gebildet ist, und der dritte Leistungshalbleiter als SiC-PiN-Diode. Außerdem werden ein Elektronikmodul mit einem Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung, das zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs dient, ein Elektroantrieb und ein Fahrzeug vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
Eine gängige Methode zur Leistungssteigerung von Invertern ist die Parallelschaltung von Leistungshalbleitern. Auch gibt es mehrere speziell zugeschnittene Halbleiteranordnungen für Inverter zur Verbesserung der Effizienz. Mit der breiten Verfügbarkeit von Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFET) bestehen die Halbleiter heutiger Hocheffizienz-Inverter rein aus Siliziumkarbid (SiC). In früheren Invertern kamen SiC-Schottky Dioden in Kombination mit Silizium (Si)-IGBTs zum Einsatz, um die Sperrverzugsladung zu reduzieren, wie z.B. aus der DE19638620A1 oder der GB2270797A bekannt.
Die Einsparung von SiC-Fläche auf dem Chip ist aus diversen Gründen notwendig, unter anderem aus Gründen des Platzbedarfs, aber auch der Kosten. Es wurde auch bereits eine Verwendung von SiC-MOSFET und Si-IGBT vorgeschlagen. Da dabei jedoch möglichst wenig SiC-Fläche verwendet wird, müssen für den Fehlerfall viele Si-Dioden vorgehalten werden, welche während des Inverterbetriebs Schaltverluste generieren.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter sowie ein zugehöriges Elektronikmodul bereitzustellen, welche diese Nachteile überwinden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters, umfassend mindestens drei Leistungshalbleiter, die zueinander parallel geschaltet sind, wobei der erste Leistungshalbleiter als unipolares Halbleiterbauelement gebildet ist, der zweite Leistungshalbleiter als bipolares Halbleiterbauelement gebildet ist, und der dritte Leistungshalbleiter als SiC-PiN-Diode, also als eine Siliziumkarbid-Diode mit intrinsisch leitender Schicht zwischen der p- und der n-dotierten Schicht, gebildet ist.
Mit dieser Parallelschaltung lässt sich ein fehlersicherer, hocheffizienter Inverter wie z.B. ein Antriebsumrichter mit minimaler SiC-Fläche erreichen.
Da die SiC-PiN-Diode hauptsächlich für den Fehlerfall verwendet wird, zeigt sie einen möglichst geringem differentiellen Widerstand, um den Einsatz der SiC-Fläche zu minimieren.
In einer Ausführung ist der erste Leistungshalbleiter als ein MOSFET, ein SiC-MOSFET, ein JFET oder eine Kaskode gebildet. In einer Ausführung ist der zweite Leistungshalbleiter als ein Si-IGBT oder ein Thyristor gebildet.
In einer Ausführung kann die für jeden der Leistungshalbleiter verwendete Fläche unterschiedlich sein Ziel ist dabei, eine möglichst geringe SiC-Fläche zu verwenden, ohne den Normalbetrieb zu beeinflussen.
Ferner wird eine Verwendung einer Schaltungsanordnung in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen.
Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend einen Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung.
Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildeten Elektronikmodul vorgeschlagen.
Ferner wird ein Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit einem Elektronikmodul, vorgeschlagen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau der Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist eine möglichst kleine SiC-Fläche ein Ziel der Auslegung von Schaltungen für Leistungshalbleiter, wobei der Fehlerfall der Wechselrichtersperre berücksichtigt werden muss.
Dieses Problem wird gelöst durch eine Parallelschaltung aus einem unipolaren Halbleiterbauelement 1, insbesondere einem Transistor, z.B. SiC-MOSFET, Kaskode, J-Fet, einem bipolaren Halbleiterbauelement 2, z.B. Si-IGBT, Thyristor, und einer SiC-PiN-Diode 3. Durch Verwenden von mindestens einem bipolaren Bauelement kann eine asymmetrische Stromverteilung und damit eine gezielte Abschaltung einer bipolaren Halbleiterfläche bzw. Chipfläche im Teillastbetrieb (also im Bereich kleiner Ströme) erfolgen.
Bipolare Bauelemente weisen eine wurzelförmige Abhängigkeit der Speicherladung vom Vorwärtsstrom auf. Sie steigt damit vor allem bei kleinen Strömen stark an, während der Zuwachs bei höheren Strömen geringer ausfällt. Die Vorwärtsspannung verhält sich ähnlich. Bei kleinen Strömen steigt diese durch die Knickspannung zuerst sprunghaft an. Danach erhöht sich die Vorwärtsspannung jedoch nur noch mit dem differentiellen Widerstand.
Bei kleinen Strömen sind bei bipolaren Bauelementen die Durchlassverluste daher von der Knickspannung bestimmt und die Speicherladung ist proportional zur Chipfläche. Daher ist ein Abschalten von bipolarer Halbleiterfläche wünschenswert, um die Speicherladung zu reduzieren, ohne die Vorwärtsspannung nennenswert zu erhöhen.
Der Begriff Knickspannung ist dem Fachmann auch unter den Begriffen Schwellspannung, Schwellenspannung, Durchlassspannung oder auch Vorwärtsspannung bekannt und wird im Englischen mit Threshold Voltage übersetzt. Die Knickspannung gibt an, bei welcher Spannung z.B. eine Halbleiterdiode leitend wird. Das heißt, dass ab dieser Spannung der Strom deutlich größer wird als der Sperrstrom. Dieses Prinzip gilt für alle bipolaren Bauelemente. Die Knickspannung kann durch die laterale Dotierung des bipolaren Bauelements am pn-Übergang beeinflusst werden.
Der prinzipielle Aufbau der Schaltungsanordnung ist in 1 dargestellt.
Die SiC-PiN-Diode 3 ermöglicht mittels bipolarer Stromführung einen geringen differenziellen Widerstand, zeigt jedoch eine hohe Knickspannung.
Bei kleinen Leistungen wird nur die Fläche (d.h. Halbleiterfläche bzw. Chipfläche) des unipolaren Halbleiterbauelements 1 zur Stromführung verwendet, welche sehr viel kleiner ausfällt als die Fläche des bipolaren Halbleiterbauelements 2. Bei kleinen Leistungen ist die SiC-PiN-Diode 3 durch ihre hohe Knickspannung inaktiv und bildet keine Speicherladung, wodurch die Schaltverluste gering bleiben.
Der Hochleistungsbereich wird mit dem bipolaren Halbleiterbauelement 2 und der SiC-PiN-Diode 3 abgedeckt. Der Fehlerfall der Wechselrichtersperre wird mit der SiC-PiN-Diode 3 und der Bodydiode oder dem Kanal des SiC-MOSFET abgedeckt.
Ein Vorteil ist außerdem, dass durch den geringen differentiellen Widerstand der SiC-PiN-Diode 3 nur eine kleine SiC-Fläche benötigt wird.
Durch die vorgeschlagene Parallelschaltung der drei Leistungshalbleiter, genauer einem unipolaren Halbleiterbauelement 1, einem bipolaren Halbleiterbauelement 2 und einer SiC-PiN-Diode 3 lässt sich ein fehlersicherer, hocheffizienter Inverter, der z.B. als Antriebsumrichter verwendet wird, mit minimaler SiC-Fläche erreichen.
Die von den Halbleiterbauelementen 1-3 benutzten Flächen können beliebig variiert werden, um unterschiedliche Maximalleistungen und mittlere Arbeitspunkte des Inverters, für welchen die Schaltungsanordnung ausgelegt ist, abzudecken.
Die Schaltungsanordnung wird vorteilhaft bei topologischen Schaltern eingesetzt und ist damit auch für einen B6 Inverter und eventuelle Multilevel-Anwendungen anwendbar.
Die Schaltungsanordnung kann in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden.
Außerdem werden ein Elektronikmodul mit einem Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung, das zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs dient, ein Elektroantrieb und ein Fahrzeug bereitgestellt.
Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) mit dem beschriebenen Inverteraufbau oder einen Teil hiervon. Das Elektronikmodul kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind in einer Sperrspannungklasse von 650 V bis 1200V bzw. einer Spannungsklasse der Batteriespannung von ca. 400V bis 800 V, ggf. sogar bereits ab 200 V, anzusiedeln.
Bezugszeichenliste

1: unipolares Halbleiterbauelement, hier MOSFET
S, G, D: Source, Gate, Drain des MOSFET
2: bipolares Halbleiterbauelement, hier IGBT
3: SiC-PiN-Diode (bipolar)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19638620 A1 [0003]
GB 2270797 A [0003]

Claims

Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter (1, 2, 3) eines Inverters, umfassend mindestens drei Leistungshalbleiter (1, 2, 3), die zueinander parallel geschaltet sind, wobei - der erste Leistungshalbleiter als unipolares Halbleiterbauelement (1) gebildet ist, - der zweite Leistungshalbleiter als bipolares Halbleiterbauelement (2) gebildet ist, und - der dritte Leistungshalbleiter als SiC-PiN-Diode (3) gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Leistungshalbleiter (1) als ein MOSFET, ein SiC-MOSFET, ein JFET oder eine Kaskode gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Leistungshalbleiter (2) als ein Si-IGBT oder ein Thyristor gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die für jeden der Leistungshalbleiter (1, 2, 3) verwendete Fläche unterschiedlich sein kann.
Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs.
Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, aufweisend einen Inverter mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend das zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildete Elektronikmodul nach Anspruch 6.
Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit einem Elektronikmodul nach Anspruch 6.