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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
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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.
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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.
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Die Einsparung von SiC-Fläche auf dem Chip ist aus diversen Gründen notwendig, unter anderem aus Gründen des Platzbedarfs, aber insbesondere der Kosten. Beispielsweise benötigen Inverter aus einem Silizium-IGBT und einer SiC-Schottky Diode weniger SiC-Fläche als reine SiC-MOSFET Inverter. Eine Parallelschaltung aus IGBT mit antiparalleler Si-Diode und einem SiC-MOSFET verspricht eine hohe Effizienz im WLTP-Zyklus bei geringem Preis. Der WLPT Zyklus (aus dem Englischen Worldwide Light-Duty Vehicles Test Procedure, Deutsch: weltweit harmonisierter Zyklus für leichte Fahrzeuge) ist ein Verfahren, in dem im Wesentlichen der Schadstoffausstoß und der Energiebedarf von Fahrzeugen in einem vorgeschriebenen Verfahren ermittelt wird.
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Durch Parallelschaltung aus IGBT mit antiparalleler Diode und einem SiC-MOSFET kann in Vorwärtsrichtung zudem eine Beeinflussung der Stromaufteilung durch die Gatespannung eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Beeinflussung der vorliegenden Sperrverzögerungsladung. In Rückwärtsrichtung teilt sich der Strom jedoch passiv zwischen Diode und MOSFET auf. Ein Abschalten der Diode ist damit nicht möglich, was hohe Verluste im Diodenmodus, z.B. während der Rekuperation oder in der Totzeit mit sich zieht.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine entsprechend verbesserte Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter sowie ein zugehöriges Elektronikmodul bereitzustellen, welche diese Nachteile überwinden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters, umfassend mindestens zwei Leistungshalbleiter, die zueinander parallel geschaltet sind, wobei der erste Leistungshalbleiter als unipolares Halbleiterbauelement und der zweite Leistungshalbleiter als RC-IGBT gebildet ist.
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Durch die Integration eines RC-IGBT ergibt sich eine Hochausnutzung der Halbleiterfläche, da eine separate Freilaufdiode entfällt. Somit lässt sich ein fehlersicherer, hocheffizienter Inverter wie z.B. ein Antriebsumrichter mit minimaler SiC-Fläche erreichen. Außerdem werden durch die Anordnung Schaltverluste verringert.
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In einer Ausführung ist der RC-IGBT derart gewählt, dass die Diodencharakteristik seiner Diode eine hohe Abhängigkeit von seiner Gatespannung aufweist. Dies ermöglicht eine umfassende Beeinflussung der Stromaufteilung zwischen RC-IGBT und SiC-MOSFET.
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In einer Ausführung ist jeder der Leistungshalbleiter über ein eigenes, separates Gate ansteuerbar. Es kann also eine unabhängige Ansteuerung der Leistungshalbleiter voneinander erfolgen.
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In einer Ausführung kann die von jedem der Leistungshalbleiter verwendete Chipfläche unterschiedlich sein. Vorteilhaft ist die verwendete Chipfläche abhängig von der geforderten Maximalleistung und/oder dem geforderten Arbeitspunkt. Somit kann eine möglichst geringe SiC-Fläche verwendet werden, was unter anderem Kostenvorteile in der Dimensionierung mit sich bringt.
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In einer Ausführung ist jeder der Leistungshalbleiter als Chip gebildet, die auf einem Substrat derart angeordnet sind, dass sie ein Modul bilden. Somit wird ein modulares Bauteil bereitgestellt, das weniger Arbeitsschritte beim Zusammenbau des Inverters erforderlich macht.
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Ferner wird eine Verwendung einer Schaltungsanordnung in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Elektronikmodul einen Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung aufweist.
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Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildeten Elektronikmodul vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit einem Elektronikmodul, vorgeschlagen.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines RC-IGBTs gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau der Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt ein Beispiel für einen prinzipiellen Aufbau eines Moduls zur Umsetzung der Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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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.
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Dieses Problem wird gelöst durch eine Parallelschaltung aus einem unipolaren Halbleiterbauelement 1 und einem RC-IGBT 2.
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Als unipolares Halbleiterbauelement 1 wird vorteilhaft ein Transistor, z.B. ein Siliziumkarbid-MOSFET bzw. SiC-MOSFET, eingesetzt, wobei es keine Beschränkung der Wahl des Halbleiterbauelements gibt, da dieses je nach Anwendung zu wählen ist.
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Ein RC-IGBT 2, also ein Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor, ist ein als monolithisches Bauelement gebildeter, rückwärtsleitender IGBT 20 mit integrierter Freilaufdiode 21. Das heißt, dass dieser sowohl im IGBT-Modus als auch im Dioden-Modus verwendet werden kann. Dies ist möglich, da IGBT 20 und Diode 21 in einem einzigen Chip (dann als RC-IGBT 2 bezeichnet) integriert sind, wie in 1 als Prinzipbild dargestellt.
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Durch die monolithische Integration der Diode 21 in den IGBT 20 ist eine Beeinflussung der Plasmaverteilung durch den Gateanschluss G2 des RC-IGBT 2 möglich. Die Durchlasskennlinie der Diode wird also durch die am Bauteil anliegende Gatespannung G2 beeinflussbar. Dadurch kann auch im Rückwärtsbetrieb die Stromaufteilung zwischen dem SiC-MOSFET 1 und dem RC-IGBT 2 beeinflusst werden.
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Um dies zu realisieren, wird in einer Ausführung ein RC-IGBT 2 verwendet, dessen Diodencharakteristik, d.h. die Diodenspannung seiner Diode 21, eine hohe Abhängigkeit von der Gatespannung G2 des IGBT 20 zeigt. Dies ermöglicht vor allem bei kleineren Leistungen eine Unterdrückung des Stromflusses durch die bipolaren Silizium-Halbleiter, wodurch der gesamte Stromfluss über die SiC-Halbleiter, also über den SiC-MOSFET 1, geleitet werden kann. Dadurch entsteht keine Speicherladung, was geringe Schaltverluste bedingt. Bei höheren Leistungen lässt sich mit Hilfe des Gateanschlusses G2 zudem eine Beeinflussung der Speicherladung vor dem Schaltvorgang erreichen. Auch dadurch können die Schaltverluste reduziert werden.
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Im Fahrzeug speist der Inverter der E-Maschine im Zustand der Wechselrichtersperre Energie in den Zwischenkreiskondensator. Hierfür werden die Leistungshalbleiterschalter in ausgeschaltet. Somit fließt Strom über die parasitären Dioden der Leistungshalbleiter bzw. über die entsprechenden Freilaufdioden in den Zwischenkreis zurück. Solange sich die E-Maschine dreht, wird der Zwischenkreiskondensator über die im Inverter bzw. den Leistungshalbleiterschaltern vorhandenen (Freilauf-)Dioden geladen. Wenn dieser höher geladen ist als die Batterie, fließt Energie zurück in die Batterie. Als Fehlerfall wird eine Überlastung der Dioden bezeichnet, denen während diesem Betrieb eine außerordentlich hohe Verlustleistung eingeprägt wird.
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Im Gegensatz zur SiC-Body-Diode zeigen RC-IGBTs 2 einen positiven Temperaturkoeffizienten, was eine einfache Parallelschaltung ermöglicht. Durch die separat vom unipolaren Halbleiterbauelement 1 ansteuerbare Gatespannung G2 ist eine zusätzliche Beeinflussung der Stromverteilung im Fehlerfall möglich. So kann das thermische Wegdriften eines Einzelschalters, also eines topologischen Schalters einer Parallelschaltung aus unipolarem Halbleiterbauelement 1, z.B. SiC-MOSFET, und RC-IGBT 2, verhindert werden.
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Bipolare Bauelemente wie IGBT, RC-IGBT 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.
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Die von den Halbleiterbauelementen 1, 2 verwendeten Chipflächen können beliebig variiert werden, um unterschiedliche Maximalleistungen und mittlere Arbeitspunkte des Inverters, für welchen die Schaltungsanordnung ausgelegt ist, abzudecken. Die vorgeschlagene Parallelschaltung von RC-IGBT 2 und SiC-MOSFET 1 ist also für alle Flächenrelationen von RC-IGBT 2 und SiC-MOSFET 1 anwendbar, also jegliche Chipgrößen.
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Die Verwendung eines RC-IGBT 2 hat den Vorteil, dass die bisher notwendige antiparallel verschaltete Freilaufdiode eingespart werden kann, da diese in dem RC-IGBT-Chip 2 bereits integriert ist. Somit kann sowohl eine Hochausnutzung der Halbleiterfläche, also eine Erhöhung der Leistungsdichte, als auch eine höhere Stoßstromfestigkeit sowie eine Verbesserung des Parallelschaltvermögens erreicht werden.
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Die Parallelschaltung kann auf Basis von einzelnen Packages, also einzelnen Chips mit einem der Leistungshalbleiter 1, 2, oder durch Verwendung von Modulen 100 erfolgen.
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3 zeigt beispielhaft ein Modul 100 mit einem Chip für den RC-IGBT 2 und einem Chip für den SiC-MOSFET 1, wobei die Chips der Leistungshalbleiter 1, 2 jeweils unterschiedliche Größen aufweisen.
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Die Kontaktbereiche der Chips der Leistungshalbleiter 1, 2 sind auf den Seiten von Drain D (des SiC-MOSFET 1) bzw. Kollektor C (des RC-IGBT 2) auf ein Substrat 10 aufgebracht. Source S (des SiC-MOSFET 1) bzw. Emitter E (des RC-IGBT 2) werden z.B. mittels Bonds zusammengeführt. Jeder Leistungshalbleiter 1, 2, also SiC-MOSFET 1 bzw. RC-IGBT 2, kann mittels seines eigenen, separaten Gates G1 (des SiC-MOSFET) bzw. G2 (des RC-IGBT 2) unabhängig vom anderen Leistungshalbleiter 1, 2 angesteuert werden.
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Die Schaltungsanordnung wird vorteilhaft bei topologischen Schaltern eingesetzt, wie in 2 gezeigt. Dort ist ein Einzelschalter aus RC-IGBT 2 und SiC-MOSFET 1 dargestellt. Es können aber auch alle auf dem beschriebenen Prinzip basierenden Inverter-Topologien mit dieser Schaltungsanordnung realisiert werden, z.B. B6 Brücke, ANPC (active neutral point clamped) Topologie, Multilevel-Umrichter. Als Anwendung ist dabei vor allem der Traktionsinverter im Automobilbereich vorgesehen, d.h. die Schaltungsanordnung kann insbesondere in einem einen Inverter aufweisenden oder als Inverter gebildeten Elektronikmodul zur Ansteuerung einer E-Maschine verwendet werden. Eine E-Maschine kann vorteilhaft ein Elektroantrieb eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs sein.
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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.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- SiC-MOSFET
- S, G, D
- Source, Gate, Drain des MOSFET
- 2
- RC-IGBT
- 20
- IGBT
- 21
- Freilauf-Diode
- E, C
- Emitter, Kollektor des IGBT des RC-IGBT 2
- 10
- Substrat
- 100
- Modul
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19638620 A1 [0003]
- GB 2270797 A [0003]
