DE102022211207A1

DE102022211207A1 - Leistungselektronikmodul und Verfahren zur Ansteuerung

Info

Publication number: DE102022211207A1
Application number: DE102022211207.5A
Authority: DE
Inventors: Fabian Hohmann; Stefan Hain
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Leistungselektronikmodul, aufweisend einen topologischen Halbleiterschalter, der in mindestens zwei Gruppen an Leistungshalbleitern unterteilt ist, einen einzelnen Treiber, der dazu eingerichtet ist, beide Leistungshalbleiter anzusteuern, mindestens ein analoges oder ein digitales Schaltelement, das an mindestens einem der Leistungshalbleiter derart angeordnet ist, dass bei Ansteuerung durch den Treiber eine erste Gruppe an Leistungshalbleitern derart angesteuert wird, dass sie innerhalb einer Leitphase der zweiten Gruppe ein- und ausgeschaltet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule.
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.
Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungselektronikmodul oder ein Halbleiterpackage, damit der aus einer Batterie bzw. dem Akkumulator stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungselektronikmodul weist topologische Schalter mit Leistungstransistoren auf, die zum Steuern der Ströme und zur Erzeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, sogenannte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder jedes andere Halbleitermaterial sein. Auch bereits bekannt ist die Verwendung unterschiedlicher Halbleiterarten in einem topologischen Halbleiterschalter, also z.B. eine Kombination der Leistungshalbleiter SiC-MOSFET und Si-IGBT.
Der parallele Betrieb eines SiC-MOSFETs und eines Si-IGBTs ist durch mehrere Ansteuerverfahren möglich. Die unabhängige Ansteuerung beider Leistungshalbleiter erfordert jedoch einen eigenständigen Treiber für jeden Leistungshalbleiter. Dies führt zu einem größeren Platzbedarf auf dem Treiberboard, einem größeren Gehäuse und einer höheren Stückliste.
Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Leistungselektronikmodul bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Leistungselektronikmodul, aufweisend einen topologischen Halbleiterschalter, der in mindestens zwei Gruppen an Leistungshalbleitern unterteilt ist, einen einzelnen Treiber, der dazu eingerichtet ist, beide Leistungshalbleiter anzusteuern, mindestens ein analoges oder ein digitales Schaltelement, das an mindestens einem der Leistungshalbleiter derart angeordnet ist, dass bei Ansteuerung durch den Treiber eine erste Gruppe an Leistungshalbleitern derart angesteuert wird, dass sie innerhalb einer Leitphase der zweiten Gruppe ein- und ausgeschaltet wird.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das mindestens eine analoge Schaltelement als ein Gatewiderstand oder ein RC-Glied gebildet ist.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste Gruppe einen höheren Anschalt-Widerstand als die zweite Gruppe aufweist und wobei die zweite Gruppe einen höheren Ausschalt-Widerstand als die erste Gruppe aufweist.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein digitales Schaltelement als ein digitales Zeitverzögerungsglied gebildet ist.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Leistungshalbleiter der Gruppen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleitertypen und/oder unterschiedlichen Halbleiterflächen bestehen.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass einer der Leistungshalbleiter ein SiC-MOSFET und der andere ein Si-IGBT ist.
Vorgeschlagen wird ferner ein Inverter, aufweisend das Leistungselektronikmodul, sowie ein Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs, aufweisend den Inverter. Auch wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend einen mittels einem Elektroantrieb angetriebenen Elektromotor.
Außerdem wird ein Verfahren zur Ansteuerung des topologischen Halbleiterschalters eines Leistungselektronikmoduls vorgeschlagen, wobei bei Ansteuerung durch den Treiber eine erste Gruppe an Leistungshalbleitern derart angesteuert wird, dass sie innerhalb einer Leitphase der zweiten Gruppe ein- und ausgeschaltet wird
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 eines topologischen Halbleiterschalters mit unterschiedlichen Leistungshalbleitern gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Darstellung einer Ansteuerung beider Halbleitertypen eines topologischen Schalters mit einem analogen Schaltelement gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Darstellung einer Ansteuerung beider Halbleitertypen eines topologischen Schalters mit einem digitalen Schaltelement gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Darstellung des zeitlichen Schaltzustands beider Halbleitertypen eines topologischen Schalters gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einem Inverter und einer Steuereinrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der parallele Betrieb von topologischen Halbleiterschaltern 100 unterschiedlicher Halbleitertypen (Leistungshalbleiter 10, 20), z.B. eines Siliziumkarbid (SiC)-MOSFETs 10 und eines Silizium (Si)-IGBTs 20, wie in 1 gezeigt, ist durch mehrere Ansteuerverfahren möglich, welche aktuell alle durch einen entsprechenden Treiber je Leistungshalbleiter 10, 20 ausgeführt werden. Der Treiber T dient dabei als Steuereinheit 200 oder ist Teil einer Steuereinheit 200 und ist mit den jeweiligen Gates G_MOSFET, G_IGBT1 der Leistungshalbleiter 10, 20 verbunden.
Wie bereits erwähnt, fordert eine unabhängige Ansteuerung beider Leistungshalbleiter 10, 20 einen eigenständigen Treiber T für jeden Leistungshalbleiter 10, 20. Dies führt zu einem größeren Platzbedarf auf dem Treiberboard, einem größeren Gehäuse und einer höheren Stückliste.
Um diese Nachteile zu überwinden, wird eine Ein-Treiber-Lösung vorgeschlagen, bei welcher die Leistungshalbleiter 10, 20 von nur einem einzelnen Treiber T angesteuert werden. Die Leistungshalbleiter 10, 20 übernehmen dann unterschiedliche Teile der gesamten Leitdauer des topologischen Halbleiterschalters 100.
2 und 3 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung unterschiedlicher Ausführungen der Erfindung, bei der ein topologischer Halbleiterschalter 100 mit zwei Gruppen an Leistungshalbleitern 10, 20 dargestellt ist. Einer der Leistungshalbleiter 10 ist ein MOSFET (erste Gruppe) und der andere ist ein IGBT (zweite Gruppe). Es können selbstverständlich mehr als jeweils ein Leistungshalbleiter 10 bzw. 20 pro Gruppe vorgesehen sein. Nachfolgend werden aus Übersichtlichkeitsgründen nur „ein“ Leistungshalbleiter 10, 20 erwähnt, wobei darunter auch Gruppen an Leistungshalbleitern 10, 20 zu verstehen sind.
Ziel ist es, dass ein Leistungshalbleiter (eine erste Gruppe, in dieser Ausführung der IGBT 20) für die gesamte Leitdauer eingeschaltet ist, während der andere Leistungshalbleiter (die andere Gruppe, in dieser Ausführung der MOSFET 10) nur einen gewissen Teil der gesamten Leitdauer eingeschaltet wird, wie in 4 dargestellt. Die beiden Leistungshalbleiter 10, 20 weisen also unterschiedliche Tastgrade auf. Die eigentliche Schalthandlung wird dadurch nur von einem der beiden Leistungshalbleiter (in diesem Beispiel Leistungshalbleiter bzw. Gruppe 20) übernommen, während der andere Leistungshalbleiter (in diesem Beispiel Leistungshalbleiter bzw. Gruppe 10) nur in der Leitphase aktiv ist. Das heißt, dass zuerst ein Leistungshalbleiter 20 (vollständig) eingeschaltet wird und erst dann der andere Leistungshalbleiter 10 eingeschaltet wird. Dasselbe Prinzip ist beim Ausschalten gegeben, d.h. der Leistungshalbleiter 10, welche als zweites eingeschaltet wurde, wird zuerst ausgeschaltet. Dies geschieht, bevor der Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiters 10 beginnt. Somit entsteht eine Zeitdifferenz Δt zwischen dem Einschalten der beiden Leistungshalbleiter 10, 20, aber auch zwischen dem Ausschalten der beiden Leistungshalbleiter 10, 20, wie in 4 angedeutet. Die Zeitdifferenz Δt beim Einschalten ist dabei nicht unbedingt identisch mit der Zeitdifferenz Δt beim Ausschalten.
Das Ein- und Ausschalten (genauer der Tastgrad) kann dabei auf den jeweiligen Arbeitspunkt der Leistungshalbleiter 10, 20 abgestimmt (variiert) werden. Das heißt, dass für jeden Leistungshalbleiter 20 die Einschaltflanke bekannt ist und damit der Einschaltzeitpunkt für den anderen Leistungshalbleiter 10 angepasst werden kann, damit dieser ausschließlich innerhalb der Leitphase eingeschaltet ist, also erst eingeschaltet wird, nachdem der Leistungshalbleiter 20 vollständig eingeschaltet ist.
Die Realisierung dieser Ansteuerung der Leistungshalbleiter 10, 20 kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Eine Möglichkeit ist das Ein- und Ausschalten der Leistungshalbleiter 10 unter Verwendung von analogen Schaltelementen wie z.B. unterschiedlichen Gatewiderständen R der Leistungshalbleiter 10, 20. In der in 2 gezeigten Ausführung weist der Leistungshalbleiter 20 dabei einen erhöhten Anschalt-Gatewiderstand und einen niedrigeren Ausschalt-Gatewiderstand im Vergleich zum Leistungshalbleiter 10 auf, wodurch die Leistungshalbleiter 10, 20 unterschiedliche Schaltzeiten aufweisen. Durch die unterschiedlichen Schaltzeiten übernimmt in dieser Ausführung Leistungshalbleiter 10 nur einen Teil der gesamten Leitdauer.
Anstatt eines Widerstands R kann auch ein RC-Glied als analoges Schaltelement verwendet werden.
Alternativ zum analogen Schaltelement kann auch ein digitales Schaltelement in Form z.B. eines digitalen Delays 30 (Zeitverzögerungsglied) verwendet werden, wie in 3 angedeutet. Je nach Gatebeschaltung und Halbleitertyp sind dabei ein oder zwei digitale Delays 30 (eines je Leistungshalbleiter 10, 20) nötig. Mithilfe eines solchen digitalen Delays 30 kann der Tastgrad der Halbleitertypen individuell eingestellt werden, also das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des jeweiligen Leistungshalbleiters 10, 20. Ein digitales Delay kann z.B. mittels einem Totzeitglied, einem RC-Glied oder einem „Timer Interrupt“ im Mikrokontroller realisiert werden.
Zudem sind auch negative Delays 30 möglich, um z.B. den Leistungshalbleiter 20 im Teillastbetrieb gänzlich von der Leitphase auszuschließen (Tastgrad 0%). Dadurch kann eine höhere Effizienz des Inverters im Teillastbetrieb erreicht werden.
Durch das vorgeschlagene Verfahren zur Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters 100 für ein Leistungselektroniksystem mit hybriden Halbleiterschaltern 100, also Halbleiterschaltern 100, die aus mindestens zwei Gruppen an Leistungshalbleitern 10, 20 gebildet sind, kann eine Ansteuerung mit nur einem einzigen Treiber T je topologischem Schalter 100 erfolgen.
Unter Gruppen an Leistungshalbleitern 10, 20 ist zu verstehen, dass die verwendeten Leistungshalbleiter 10, 20 unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, also ein Leistungshalbleiter bzw. eine Gruppe aus Leistungshalbleitern 10 oder 20 jeweils aus unterschiedlichen Materialien wie Si, SiC, GaN etc. bestehen, und/oder unterschiedliche Typen wie MOSFET, IGBT, JFET etc. sein und/oder unterschiedliche Flächen aufweisen können.
Ein Leistungselektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierter Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es 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/einem Akkumulator, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
Inverter 400 für Elektroantriebe von Kraftfahrzeugen 300, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
Anwendung findet die beschriebene Schaltungsanordnung beispielsweise in Invertern 400, die in Kraftfahrzeugen 300 verbaut sind, wie in 5 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 300 kann insbesondere eine elektrisch angetriebene Achse aufweisen. Das Kraftfahrzeug 300 kann grundsätzlich als rein verbrennungsmotorisches Kraftfahrzeug, als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

100: Halbleiterschalter
10: MOSFET
20: IGBT
30: Delay
200: Steuereinheit
300: Kraftfahrzeug
400: Inverter
T: Treiber
R: Gatewiderstand
GMOSFET: Gate MOSFET
GIGBT1: Gate IGBT
Δt: Zeitdifferenz

Claims

Leistungselektronikmodul, aufweisend - einen topologischen Halbleiterschalter (100), der in mindestens zwei Gruppen an Leistungshalbleitern (10, 20) unterteilt ist, - einen einzelnen Treiber (T), der dazu eingerichtet ist, beide Leistungshalbleiter (10, 20) anzusteuern, - mindestens ein analoges oder ein digitales Schaltelement (R, 30), das an mindestens einem der Leistungshalbleiter (10, 20) derart angeordnet ist, dass bei Ansteuerung durch den Treiber eine erste Gruppe an Leistungshalbleitern (10, 20) derart angesteuert wird, dass sie innerhalb einer Leitphase der zweiten Gruppe ein- und ausgeschaltet wird.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine analoge Schaltelement (R) als ein Gatewiderstand oder ein RC-Glied gebildet ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 2, wobei die erste Gruppe einen höheren Anschalt-Widerstand als die zweite Gruppe aufweist und wobei die zweite Gruppe einen höheren Ausschalt-Widerstand als die erste Gruppe aufweist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei ein digitales Schaltelement (30) als ein digitales Zeitverzögerungsglied gebildet ist.
Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungshalbleiter (10, 20) der Gruppen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien und/oder unterschiedlichen Halbleitertypen und/oder unterschiedlichen Halbleiterflächen bestehen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 5, wobei einer der Leistungshalbleiter (10, 20) ein SiC-MOSFET und der andere ein Si-IGBT ist.
Inverter (400), aufweisend ein Leistungselektronikmodul nach einem der der vorhergehenden Ansprüche.
Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs (300), aufweisend einen Inverter (400) nach Anspruch 7.
Kraftfahrzeug (300), aufweisend einen mittels einem Elektroantrieb nach Anspruch 8 angetriebenen Elektromotor.
Verfahren zur Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters (100) eines Leistungselektronikmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei Ansteuerung durch den Treiber eine erste Gruppe an Leistungshalbleitern (10, 20) derart angesteuert wird, dass sie innerhalb einer Leitphase der zweiten Gruppe ein- und ausgeschaltet wird.