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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. Zum Erreichen einer maximalen Ausgangsleistung muss die Chipfläche gleichmäßig belastet werden. Dadurch wird auch die geringste Chipfläche benötigt. Eine Abweichung in der Stromverteilung führt zu einer überdimensionierten Chipfläche, welche nicht genutzt werden kann. Ziel ist daher eine gleichverteilte Stromaufteilung, um einen gleichmäßigen Verlustleistungseintrag in alle Halbleiter zu erreichen.
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In der
DE P 1231 800 wird zur Unterdrückung einer Stromfehlverteilung ein den Magnetfluss verstärkendes Joch verwendet. In der
DE P 30 40 025C2 werden unterschiedlich lange Anschlussleitungen für die jeweiligen Halbleiterchips verwendet, um die dynamische Stromfehlverteilung während des Schaltvorgangs zu verringern.
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Da hier allerdings immer noch Verbesserungsbedarf hinsichtlich der Stromverteilung parallel geschalteter Leistungshalbleiter besteht, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine entsprechend verbesserte Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter sowie ein zugehöriges Elektronikmodul bereitzustellen. Dabei wird bewusst auf eine gleichmäßige Stromverteilung verzichtet.
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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 parallel geschaltete Leistungshalbleiter, welche vorteilhaft in Invertern eingesetzt werden. Die Schaltungsanordnung weist mindestens zwei Leistungshalbleiter auf, von denen zumindest einer ein bipolares Halbleiterbauelement ist, wobei das mindestens eine bipolare Halbleiterbauelement eine vorgegebene Knickspannung aufweist, bei deren Unterschreiten ein stromabhängiges Abschalten der bipolaren Halbleiterfläche der Schaltungsanordnung erfolgt.
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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. Somit wird eine geringere Schaltenergie und eine Reduzierung der Sperrverzögerungsladung im Teillastbetrieb erreicht.
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In einer Ausführung beträgt der Unterschied der Knickspannungen zwischen zwei Leistungshalbleitern mindestens 0,3 V. In einer Ausführung ist einer der Leistungshalbleiter als ein MOSFET und ein anderer als eine bipolare Diode gebildet. Vorteilhaft ist die eine bipolare Diode eine Si-PiN-Diode. In einer Ausführung sind die bipolaren Bauelemente als eine Kombination aus bipolarer Diode mit bipolarem Transistor und/oder IGBT gebildet.
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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, aufweisend einen Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung.
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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 dem 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 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 und 3 zeigen jeweils ein Diagramm, welches die Stromaufteilung unterschiedlicher Ausführungen der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Wie bereits eingangs erwähnt, wird die maximale Ausgangsleistung eines Inverters mit einer absoluten Gleichverteilung des Stroms erreicht. Dadurch wird auch die geringste Chipfläche benötigt. Die vorliegende Erfindung zielt dagegen auf eine asymmetrische Stromaufteilung im Teillastbetrieb ab. Wie nachfolgend beschrieben ermöglicht dies eine geringere Schaltenergie und eine Reduzierung der Sperrverzögerungsladung im Teillastbetrieb.
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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.
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Bei kleinen Strömen sind bei bipolaren Bauelementen die Durchlassverluste daher von der Knickspannung bestimmt und die Speicherladung ist proportional zur Chipfläche. Daher ist in diesen Fällen ein Abschalten von bipolarer Halbleiterfläche wünschenswert, um die Speicherladung zu reduzieren, ohne die Vorwärtsspannung nennenswert zu erhöhen.
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Zum stromabhängigen Abschalten der bipolaren Halbleiterfläche wird erfindungsgemäß die Knickspannung verwendet. Der Begriff Knickspannung ist dem Fachmann auch unter den Begriffen Schwellspannung, Schwellenspannung, Durchlassspannung, Kniespannung, Schleusenspannung oder auch Vorwärtsspannung bekannt und wird im Englischen mit Threshold Voltage übersetzt.
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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.
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Die Knickspannung kann durch die laterale Dotierung des bipolaren Bauelements am pn-Übergang beeinflusst werden. Die Beeinflussung kann in einer Parallelschaltung von jeglichen Leistungshalbleitern 1, 2 mit mindestens einem bipolaren Bauelement eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird der Vorteil am Beispiel zweier Leistungshalbleiter 1, 2 gezeigt, von denen einer ein MOSFET 1 (unipolar bzw. nicht bipolar) mit Gate G, Drain D und Source S ist, und der andere eine parallel zum MOSFET 1 geschaltete bipolare Diode 2, die in dem in 1 gezeigten Fall eine Si-PiN-Diode 2 ist, also eine Siliziumdiode mit intrinsisch leitender Schicht zwischen der p- und der n-dotierten Schicht. Die topologische Anordnung ist in 1 dargestellt.
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Der MOSFET 1 ist eingeschaltet und wird, wie eingezeichnet, rückwärts vom Strom i durchflossen. Kleine Ströme fließen ausschließlich durch den MOSFET 1, da dieser kein bipolares Bauelement mit eingeschaltetem Kanal ist und damit keine Knickspannung besitzt. Der Einschaltstrom der Diode 2 kann mittels deren Knickspannung beeinflusst werden, wie in 2 und 3 beispielhaft dargestellt, in denen der vom Bauelement 1, 2 geführte Strom i_Teil über den Strom i, normiert auf den Gesamtstrom i_ges aufgetragen ist.
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2 und 3 zeigen die (normierte) Stromaufteilung eines Gesamtstroms i_ges (diagonale, gepunktete Linie) zwischen einer Diode 2 (gestrichelte Linie) und einem MOSFET 1 (durchgezogene Linie) in Rückwärtsrichtung. In 2 weist die Diode 2 eine niedrigere Knickspannung als in 3 auf und beginnt ab ca. 7% des Gesamtstroms i_ges, einen Teil des Stroms zu führen. Die Diode 2 in 3 führt dagegen erst ab einem Gesamtstrom i_ges von 12% Strom.
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Vorher übernimmt der rückwärts eingeschaltete MOSFET 1 die gesamte Stromführung. Mit der unterschiedlichen Knickspannung verändert sich auch der differentielle Widerstand, was Auswirkungen auf die Stromaufteilung bei höheren Stromstärken hat. Der Zeitpunkt, an welchem beide Bauteile den gleichen Strom führen, verschiebt sich von 56% (2) auf 44% (3) des Gesamtstroms I_ges.
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Durch die Kombination zweier Bauelemente 1,2 mit unterschiedlicher Knickspannung, wobei eines davon auch keine Knickspannung aufweisen kann, lässt sich die Stromaufteilung im Teillastbetrieb einstellen.
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Diese Beeinflussung kann zwischen mehreren bipolaren oder einer Kombination aus bipolaren und unipolaren Bauelementen 1, 2 geschehen. Die genutzte Halbleiterfläche teilt sich damit stromabhängig zwischen den Bauelementen 1, 2 auf. Gerade bei kleinen Leistungen wird weniger bipolare Fläche mit Strom durchflossen und dadurch weniger Speicherladung gebildet. Die Wahl der Knickspannung erfolgt abhängig von der erforderlichen oder vorgegebenen Maximalleistung und dem durchschnittlichen Arbeitspunkt des Inverters, für welchen die Schaltungsanordnung ausgelegt ist. Der Kern der Erfindung besteht damit aus einer Kombination von Bauelementen 1, 2 mit optimierter Knickspannung zur Beeinflussung der Stromaufteilung im Teillastbetrieb, wobei hierzu auch eine nicht vorhandene Knickspannung zählt, wie bei unipolaren Bauelementen wie einem MOSFET 1 üblich. Vorteilhaft wird die Schaltungsanordnung in einem Traktionsinverter, auch als Antriebsumrichter bekannt, eingesetzt.
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In einer Ausführung beträgt der Unterschied der Knickspannung der verwendeten Bauelemente 1, 2 mindestens 0,3V. Bipolare Bauelemente 2 zeichnen sich durch eine beidseitige Stromführung aus und können als bipolare Diode, bipolarer Transistor oder auch als IGBT, also eine Mischform aus bipolaren Transistor und MOSFET, gebildet sein. Prinzipiell kann jeder bipolare Halbleiter verwendet werden, also jeder Halbleiter, der eine Knickspannung aufweist.
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Die Schaltungsanordnung kann in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden.
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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
- MOSFET (unipolar / nicht bipolar)
- 2
- Si-PiN-Diode (bipolar)
- i_ges
- Gesamtstrom
- i_Teil
- vom Bauelement 1, 2 geführter Strom
- i
- Strom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE P1231800 [0004]
- DE P3040025 C2 [0004]
