EP1293032A1 - Halbbrückenbaugruppe - Google Patents

Halbbrückenbaugruppe

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Publication number
EP1293032A1
EP1293032A1 EP01943515A EP01943515A EP1293032A1 EP 1293032 A1 EP1293032 A1 EP 1293032A1 EP 01943515 A EP01943515 A EP 01943515A EP 01943515 A EP01943515 A EP 01943515A EP 1293032 A1 EP1293032 A1 EP 1293032A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diode
semiconductor switch
schottky diode
heat sink
free
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01943515A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas GRÜNDL
Bernhard Hoffmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Compact Dynamics GmbH
Original Assignee
Compact Dynamics GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1293032A1 publication Critical patent/EP1293032A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/5388—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with asymmetrical configuration of switches
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a half-bridge assembly for switching electrical powers, in which at least two semiconductor switches are connected in series to form a half-bridge.
  • Each semiconductor switch has a control input.
  • each first semiconductor switch has a first power connection that can be connected to a high voltage potential and every second semiconductor switch has a second power connection that can be connected to a low voltage potential.
  • a second power connection of each first semiconductor switch is connected to a first power connection of the respective second semiconductor switch;
  • each of the semiconductor switches has a free-wheeling diode which is parallel to the two power connections of the respective semiconductor switch.
  • Such a half-bridge assembly is known from DE-A-42 30 510.
  • Such half-bridge arrangements are used to form inverters for a wide variety of applications, e.g. for feeding induction machines, permanent magnet motors and the like. in use (see e.g. DE-A-40 27 969).
  • the free-wheeling diode is usually integrated with the semiconductor switch, in particular in the case of FET power semiconductor switches.
  • the integrated free-wheeling diode is designed as a silicon junction diode.
  • such an integrated free-wheeling diode has a relatively long switching time (in the range from 10 nanoseconds to a few microseconds). This leads to a significant electrical power loss occurring in the integrated free-wheeling diode, which has to be converted into heat and dissipated.
  • Half-bridge arrangements are at least for high electrical switching capacities liquid cooled. Since the integrated free-wheeling diodes must have a noticeable current stability, they also require considerable semiconductor areas and thus space.
  • Schottky diodes have very short switching times because, instead of a pn junction, they have a metal-semiconductor junction which also has a rectifying effect. In the case of the metal-semiconductor transition, however, the stored charge is very small, so that the switching time is very short.
  • Another feature of Schottky diodes is the lower forward voltage of about 0.3 volts compared to silicon junction diodes.
  • the integrated free-wheeling diode is a silicon junction diode with a forward voltage of approximately 0.7 volts. This means that practically all of the current flows through the Schottky diode in the freewheeling operation of the half-bridge arrangement, since its forward voltage is lower.
  • the Schottky diode has switching times in the order of 10 to 100 picoseconds. The power loss to be converted into heat is thus considerably reduced. Nevertheless, the Schottky diode is also cooled in the same way as the power semiconductor switch with the integrated free-wheeling diode, since otherwise overheating (over 175 degrees Celsius) and thermal destruction are expected.
  • US Pat. No. 5,661,644 discloses a half-bridge assembly with two semiconductor switches connected in series. A free-wheeling diode is connected in parallel with each semiconductor switch and a Schottky diode is connected in parallel with each free-wheeling diode. Furthermore, the arrangement of semiconductor switches and free-wheeling diodes on a heat sink is known from this publication.
  • DE 195 32 992 AI discloses a printed circuit board equipped on one side with electrical or electronic components, on the back of which a cooling plate is applied with the insertion of an intermediate layer.
  • a thermally highly resilient component is connected to the cooling plate by a thermal bridge.
  • a semiconductor assembly with a first semiconductor component arranged on a base plate is known from US Pat. No. 6,055,148.
  • a Schottky diode is attached to the first semiconductor component by means of an adhesive layer.
  • a device for tempering electronic components which are arranged on a carrier built into a housing.
  • a body is arranged between the carrier and a housing wall, which has a closed elastic covering with heat-conducting material located therein and is largely airtight on the carrier and
  • Housing wall abuts.
  • the invention is based on the problem, the power density
  • the "thermal coupling to a cooling medium” can be both the coupling to a (metallic) heat sink and the coupling to a cooling liquid surrounding the semiconductor components.
  • the diode characteristic curve of a Schottky diode is more temperature-dependent than the diode characteristic curve of an integrated free-wheeling diode with silicon junction diodes -Characteristics.
  • the characteristic of a Schottky diode has a relatively high ohmic component. When the Schottky diode is energized, it heats up more due to the poorer cooling, so that the forward voltage of the Schottky diode increases with increasing temperature
  • the construction of the half-bridge assembly according to the invention achieves a particularly compact arrangement that enables a packing density that is not comparable with previous solutions.
  • the semiconductor area of the Schottky diodes can be reduced by about 66%.
  • the required volume of cooling medium or cooling liquid, based on the total volume can be kept low, and miniaturization of the overall arrangement can be achieved, which makes the use of the invention particularly economical in mobile applications.
  • a ceramic plate or a plastic layer is arranged between the Schottky diode and a heat sink for the Schottky diode, a copper coating being provided on both sides, while the semiconductor switch with its integrated free-wheeling diode is thermally coupled directly to the heat sink is.
  • a heat sink for the Schottky diode which (although in rather how the semiconductor switch with its integrated free-wheeling diode) is directly thermally connected to the Schottky diode, but in turn has a higher thermal resistance to its surroundings (liquid or air flow) than the heat sink for the semiconductor switch with its integrated free-wheeling diode.
  • the half-bridge arrangement Since for the operation of the half-bridge arrangement or the control of the load connected to the half-bridge arrangement (for example an asynchronous machine) a control circuit with a control computer is required anyway in order to energize the individual phases accordingly, a program can be run in the control computer for this warm-up phase be filed. Through this control computer program for the warm-up phase, the half-bridge arrangement is operated in such a way that the current through the Schottky diode in freewheeling operation is reduced until the Schottky diode has heated up relative to the semiconductor switch and its integrated freewheeling diode to such an extent that the forward voltage of the integrated freewheeling diode also under load is always above the forward voltage of the Schottky diode.
  • the semiconductor switches are formed by fast-switching, low-loss field-effect transistors (FETs). Several pairs of semiconductor switches connected in series can be connected in parallel. In addition, the semiconductor switches can be formed by a large number of individual semiconductor switch components, each with low switching powers. Good cooling can be achieved by using many semiconductor switch elements, each with a relatively low switching capacity, but which can easily be connected in parallel, since the many individual components can be easily reached by the cooling medium.
  • FETs fast-switching, low-loss field-effect transistors
  • the invention also relates to a power output stage of a control device for a multi-phase electric motor, in which a half-bridge arrangement is provided for each phase of the electric motor.
  • FIG. 1 shows an electrical circuit diagram of a half-bridge arrangement according to the invention.
  • Fig. 2 shows a semiconductor switch with an integrated free-wheeling diode and a parallel Schottky diode of a half-bridge arrangement according to the invention shown in FIG. 1 arranged on a heat sink in a schematic side view.
  • FIG. 1 shows a half bridge 10 which has a pair of N-channel MOSFETs 12, 14 connected in series.
  • one control input G1, G2 is provided for the two MOSFETs 12, 14, which are controlled by a control circuit ECU via gate resistors (not shown further).
  • a support capacitor (not shown) is provided between the high and low voltage potentials V55 and V DD .
  • the 12, 14 takes place with a (pulse-width-coded) control signal with a switching frequency of more than 20 kHz.
  • the switching frequency is preferably 100 kHz and more.
  • the two MOSFETs 12, 14 have integrated free-wheeling diodes, which have silicon junction diode properties.
  • Schottky diodes 16, 18 are connected in parallel with the integrated free-wheeling diodes of the two MOSFETs 12, 14, the Schottky diodes 16, 18 having the same orientation as the integrated free-wheeling diodes.
  • each MOSFET 12 is coupled with its integrated free-wheeling diode directly to a heat sink 22 in a heat-conducting manner.
  • the associated parallel-connected Schottky diode 16 is also connected to the heat sink 22, but there is a ceramic plate 20 between the Schottky diode 16 and the heat sink 22, so that the heat conduction between the MOSFET 12 with its integrated free-wheeling diode and the heat sink 22 is better than that between Schottky diode 16 and heat sink 22.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Halbbrückenbaugruppe zum Schalten elektrischer Leistungen bei der wenigstens zwei Halbleiterschalter unter Bildung einer Halbbrücke in Serie geschaltet sind; jeder Halbleiterschalter einen Steuereingang aufweist, der erste Halbleiterschalter einen ersten Leistungsanschluss aufweist, der mit einem hohen Spannungspotential verbindbar ist; der zweite Halbleiterschalter einen zweiten Leistungsanschluss aufweist, der mit einem niedrigen Spannungspotential verbindbar ist; ein zweiter Leistungsanschluss jedes ersten Halbleiterschalters mit einem ersten Leistungsanschluss des jeweiligen zweiten Halbleiterschalters verbunden ist; jeder der Halbleiterschalter eine Freilaufdiode aufweist, die parallel zu den beiden Leistungsanschlüssen des jeweiligen Halbleiterschalters liegt; und parallel zu jeder Freilaufdiode eine Schottky-Diode geschaltet ist, jeder Halbleiterschalter mit seiner Freilaufdiode und jede Schottky-Diode wärmeleitend mit einer Wärmesenke verbunden sind, wobei der Wärmewiderstand zwischen jeder Schottky-Diode und der Wärmesenke grösser dimensioniert ist als der Wärmewiderstand zwischen jeder Freilaufdiode und der Wärmesenke.

Description

Halbbrückenbaugxuppβ
Beschreibung
Hintergrund der Erfinduncr
Die Erfindung betrifft eine Halbbruckenbaugruppe zum Schalten elektrischer Leistungen, bei der wenigstens zwei Halbleiterschalter unter Bildung einer Halbbrücke in Serie geschaltet sind. Dabei weist jeder Halbleiterschalter einen Steuerein- gang auf. Weiterhin hat jeder erste Halbleiterschalter einen ersten Leistungsanschluß, der mit einem hohen Spannungspotential verbindbar ist und jeder zweite Halbleiterschalter weist einen zweiten Leistungsanschluß auf, der mit einem niedrigen Spannungspotential verbindbar ist. Ein zweiter Leistungsan- Schluß jedes ersten Halbleiterschalters ist mit einem ersten Leistungsanschluß des jeweiligen zweiten Halbleiterschalters verbunden; Schließlich weist jeder der Halbleiterschalter eine Freilaufdiode auf, die parallel zu den beiden Leistungsanschlüssen des jeweiligen Halbleiterschalters liegt.
Stand der Technik
Eine solche Halbbruckenbaugruppe ist aus der DE-A-42 30 510 bekannt. Derartige Halbbrückenanordnungen sind zur Bildung von Wechselrichtern für die unterschiedlichsten Anwendungs- bereiche, z.B. zur Speisung von Drehfeldmaschinen, Permanentmagnetmotoren und dergl . im Einsatz (siehe z.B. auch die DE- A-40 27 969) .
Dabei ist insbesondere bei FET-Leistungshalbleiterschaltern üblicherweise die Freilaufdiode mit dem Halbleiterschalter integriert. Die integrierte Freilaufdiode ist als Silizium- Sperrschichtdiode ausgestaltet. Allerdings hat eine derartige integrierte Freilaufdiode eine relativ lange Schaltzeit (im Bereich von 10 Nanosekunden bis einige MikroSekunden) . Dies führt dazu, daß in der integrierten Freilaufdiode eine nennenswerte elektrische Verlustleistung auftritt, die in Wärme umgewandelt und abgeführt werden muß. Zumindest für hohe elektrische Schaltleistungen sind Halbbrückenanordnungen flüssigkeitsgekühlt . Da die integrierten Freilaufdioden eine nennenswerte Stro festigkeit aufweisen müssen, erfordern diese auch erhebliche Halbleiterflächen und damit Bauraum.
Um die Schaltzeiten der Dioden und damit der Verlustleistung zu verringern wird bereits vorgeschlagen, den integrierten Freilaufdioden jeweils - mit gleicher Polarität wie die Freilaufdioden - Schottkydiöden parallel zu schalten und jeden Halbleiterschalter mit seiner integrierten Freilaufdiode und jede Schottky-Diode zu kühlen, d.h. wärmeleitend mit einer Wärmesenke zu verbinden. Dabei müssen die Dioden zur Vermeidung parasitärer Induktivitäten möglichst dicht bei dem Halbleiterschalter angeordnet sein.
Schottkydiöden haben sehr kurze Schaltzeiten, da sie anstelle eines pn-Übergangs einen Metall-Halbleiterübergang haben, der ebenfalls eine Gleichrichter-Wirkung aufweist. Bei dem Metall-Halbleiterübergang ist jedoch die gespeicherte Ladung sehr klein, so daß die Schaltzeit sehr kurz ist. Ein weiteres Merkmal von Schottky-Dioden ist die im Vergleich zu Silizium- Sperrschichtdioden kleinere Durchlaßspannung von etwa 0.3 Volt.
Die integrierte Freilaufdiode ist eine Silizium-Sperrschicht- diode mit einer Durchlaßspannung von etwa 0.7 Volt. Damit fließt im Freilaufbetrieb der Halbbrückenanordnung praktisch der gesamte Strom über die Schottkydiode, da deren Durchlaß- Spannung geringer ist. Die Schottkydiode hat Schaltzeiten in der Größenordnung von 10 bis 100 Picosekunden. Somit ist auch die in Wärme umzuwandelnde Verlustleistung erheblich verringert. Dennoch wird auch die Schottkydiode in gleicher Weise gekühlt wie der Leistungshalbleiterschalter mit der integrierten Freilaufdiode, da sonst eine Überhitzung (über 175 Grad Celsius) und thermische Zerstörung erwartet wird.
Diese Verbesserung des Schaltverhaltens erfordert auch eine entsprechende Dimensionierung der Schottkydioden, da diese in der Lage sein müssen, den gesamten Strom im Freilaufbetrieb der Halbbrückenanordnung zu übernehmen.
Aus der US 5,661,644 ist eine Halbbruckenbaugruppe mit zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern bekannt. Parallel zu jedem Halbleiterschalter ist eine Freilaufdiode und parallel zu jeder Freilaufdiode eine Schottky-Diode geschaltet. Ferner ist aus dieser Druckschrift die Anordnung von Halbleiterschaltern und Freilaufdioden auf einer Wärmesenke bekannt.
Aus der DE 195 32 992 AI ist eine einseitig mit elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatte bekannt, auf deren Rückseite unter Einfügung einer Zwischenschicht eine Kühlplatte aufgebracht ist. Ein thermisch hoch belastbares Bauelement ist durch eine Wärmeleitbrücke mit der Kühlplatte verbunden.
Aus der US 6,055,148 ist eine Halbleiterbaugruppe mit einem ersten auf einer Grundplatte angeordneten Halbleiterbauelement bekannt. Auf dem ersten Halbleiterbauelement ist eine Schottky- Diode mittels einer Klebeschicht befestigt.
Aus der DE 196 24 475 AI ist eine Vorrichtung zum Temperieren elektronischer Bauteile bekannt, die auf einem in einem Gehäuse eingebauten Träger angeordnet sind. Zwischen dem Träger und einer Gehäusewand ist ein Körper angeordnet, der eine geschlossene elastische Umhüllung mit darin befindlichem wärmeleitenden Material besitzt und weitgehend luftdicht an dem Träger und der
Gehäusewand anliegt.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Leistungsdichte
(schaltbare elektrische Leistung bezogen auf das Bauvolumen) derartiger Halbbrückenanordnungen weiter zu steigern und sie insbesondere noch kostengünstiger zu gestalten.
Erfindungsgemäße Lösung
Dieses Problem wird bei einer Halbbrückenanordnung der oben genannten Art dadurch gelöst, daß der Wärmewiderstand zwischen jeder Schottky-Diode und der Wärmesenke größer dimensioniert ist als der Wärmewiderstand zwischen jeder Freilaufdiode und der Wärmesenke und die Wärmekopplung der Schottky-Diode gegen- über der Wärmekopplung der integrierten Freilaufdiode derart verringert ist, daß die Durchlaßspannung der integrierten Freilaufdiode auch unter Last stets über der Durchlaßspannung der Schottky-Diode liegt.
Dies bedeutet, daß die thermische Ankopplung der Schottky-Diode an das Kühlmedium "schlechter" ist als die thermische Ankopplung der integrierten Freilaufdiode an das Kühlmedium.
Die "thermische Ankopplung an ein Kühlmedium" kann hierbei sowohl die Ankopplung an einen (metallischen) Kühlkörper als auch die Ankopplung an eine die Halbleiterbauteile umgebende Kühlflüssigkeit sein.
Diese Maßnahme läuft der üblichen Vorgehensweise zuwider, Halbleiter möglichst gut zu kühlen.
Dennoch erlaubt sie gegenüber dem Stand der Technik eine signifikant kleinere Dimensionierung der Schottky-Diode hinsichtlich ihrer Strombelastbarkeit und damit des Halbleiterflächenbedarfs aufgrund folgender Umstände: Die Dioden-Kennlinie einer Schottky-Diode ist stärker temperaturabhängig als die Dioden-Kennlinie einer integrierten Freilaufdiode mit Silizium-Sperrschichtdioden-Eigenschaften. Außerdem hat die Kennlinie einer Schottky-Diode einen relativ hohen ohmschen Anteil. Wenn die Schottky-Diode bestromt wird, erwärmt sie sich aufgrund der schlechteren Kühlung stärker, so daß die Durchlaß-Spannung der Schottky-Diode bei steigender Temperatur
1729 sinkt. Dies hat zur Folge, daß aufgrund der verringerten Kühlung ihre Kennlinie stärker verschoben wird, so daß die Schottkydiode den Strom von der Freilaufdiode übernehmen kann. Es versteht sich, daß die Anordnung insgesamt (auch hinsichtlich der Kühlung der Schottkydiode) so dimensioniert sein muß, daß keine Zerstörung der Halbleiter eintritt.
Wenn durch die geringere Wärmekopplung (und den daraus resultierenden höheren Warmewiderstand zwischen) der Schottkydiode und dem Kühlmedium die Schottkydiode sich stärker erwärmt als die integrierte Freilaufdiode, hat dies zur Folge, daß die Durchlaßspannung der integrierten Freilaufdiode auch unter Last stets über der Durchlaßspannung der Schottkydiode liegt. Mithin fließt im Freilaufbetrieb der Halbbrückenanordnung der Strom stets durch die schneller schaltende Schottkydiode.
Vorteile der Erfindung
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Halbbruckenbaugruppe wird eine besonders kompakte Anordnung erreicht, die eine mit bisherigen Lösungen nicht vergleichbare Packungsdichte ermöglicht. Gegenüber bisherigen Ausführungsformen ist eine Verringerung der Halbleiterfläche der Schottkydioden um etwa 66% möglich. Damit kann sowohl das erforderliche Volumen an Kühlmedium bzw. Kühlflüssigkeit bezogen auf das Gesamtvolumen ge- ring gehalten werden, als auch eine Miniaturisierung der Gesamtanordnung erreicht werden, die einen Einsatz der Erfindung insbesondere auch in mobilen Anwendungen sehr wirtschaftlich werden läßt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Schottkydiode und einem Kühlkörper für die Schottkydiode ein Keramikplättchen oder eine Kunststoff- schicht angeordnet, wobei ggf. eine beidseitige Kupferbe- Schichtung vorgesehen ist, während der Halbleiterschalter mit seiner integrierten Freilaufdiode direkt mit dem Kühlkörper thermisch gekoppelt ist. Es ist jedoch auch möglich, für die Schottkydiode einen Kühlkörper zu wählen, der zwar (in glei- eher Weise wie der Halbleiterschalter mit seiner integrierten Freilaufdiode) mit der Schottkydiode direkt thermisch verbunden ist, aber seinerseits einen höheren Wärmewiderstand gegenüber seiner Umgebung (Flüssigkeit oder Luftstrom) hat als der Kühlkörper für den Halbleiterschalter mit seiner integrierten Freilaufdiode.
Um sicherzustellen, daß auch beim "Anfahren" der Schaltung, also bei kalten Halbleitern und kaltem Kühlmedium die inte- grierte Freilaufdiode des Halbleiterschalters durch einen hohen Leistungsstromstoß nicht zerstört werden kann, ist es vorteilhaft, vor dem tatsächlichen Betrieb der Halbbrückenanordnung eine "Auf ärmphase" vorzusehen. Während dieser Auf- wärmphase wird die Schottkydiode von einem Strom durchflos- sen, der zwar zu einer Erwärmung der Schottkydiode und ggf. auch der integrierten Freilaufdiode, aber nicht zu deren Zerstörung führt. Sobald die Schottkydiode hinreichend erwärmt ist, kann auch im Voll-Lastbetrieb der Strom die Schottkydiode nicht mehr überlasten, da dann ihre Durchlaß-Spannung ausreichend niedrig ist.
Da für den Betrieb der Halbbrückenanordnung bzw. die Ansteue- rung der an der Halbbrückenanordnung angeschlossenen Last (zum Beispiel Asynchronmaschine) ohnehin eine Ansteuerschal- tung mit einem Steuerrechner erforderlich ist um die einzelnen Phasen entsprechend zu bestromen, kann für diese Aufwärmphase in dem Steuerrechner ein Progam abgelegt sein. Durch dieses Steuerrechnerprogramm für die Aufwärmphase wird die Halbbrückenanordnung in einer Weise betrieben, daß der Strom durch die Schottkydiode im Freilaufbetrieb solange reduziert ist, bis sich die Schottkydiode gegenüber dem Halbleiterschalter und dessen integrierter Freilaufdiode soweit erwärmt hat, daß die Durchlaßspannung der integrierten Freilaufdiode auch unter Last stets über der Durchlaßspannung der Schottky- diode liegt. Bei einer bevorzugten Ausführungs orm sind die Halbleiterschalter durch schnellschaltende, verlustarme Feldeffekt- Transistoren (FETs) gebildet. Dabei können mehrere Paare in Serie geschalteter Halbleiterschalter parallel geschaltet sein. Außerdem können die Halbleiterschalter durch eine große Anzahl von einzelnen Halbleiterschalter-Bauelementen mit jeweils kleinen Schaltleistungen gebildet sein. Durch die Verwendung vieler Halbleiterschalterelemente mit jeweils einer relativ kleinen Schaltleistung, die jedoch einfach parallel- schaltbar sind, kann eine gute Kühlung erreicht werden, da die vielen Einzelbauteile gut durch das Kühlmedium erreichbar sind.
Die Erfindung betrifft auch eine Leistungsendstufe einer An- Steuereinrichtung für einen mehrphasigen Elektromotor, bei der für jede Phase des Elektromotors eine Halbbrückenanordnung bereitgestellt ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnung In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht .
Fig. 1 zeigt einen elektrischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Halbbrückenanordnung.
Fig. 2 zeigt einen Halbleiterschalter mit integrierter Freilaufdiode sowie eine parallelgeschaltete Schottkydiode einer erfindungsgemäßen Halbbrückenanordnung nach Fig. 1 auf einem Kühlkörper angeordnet in einer schematischen Seitenansicht.
Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung Fig. 1 zeigt eine Halbbrücke 10, die ein Paar in Serie geschaltete N-Kanal MOSFETs 12, 14 aufweist. Der erste MOSFET 12 liegt mit seinem Source-Anschluß Sl (=erster Leistungsan- schluß) auf einem hohen Spannungspotential Vss. Der zweite MOSFET 14 liegt mit seinem Drain-Anschluß D2 (^zweiter Leistungsanschluß) auf einem niedrigen Spannungspotential Vjyo - Zur Bildung eines Ausgangs A der sind der Drain-Anschluß Dl (=zweiter Leistungsanschluß) des ersten MOSFETs 12 und der Source-Anschluß S2 (=erster Leistungsanschluß) des zweiten MOSFETs 14 miteinander verbunden. Jeweils ein Steuereingang Gl, G2 ist für die beiden MOSFETs 12, 14 vorgesehen, die über (nicht weiter veranschaulichte) Gatewiderstände durch eine Ansteuerschaltung ECU angesteuert werden.
Zwischen dem hohen und dem niedrigen Spannungspotential V55 und VDD ist ein (nicht weiter veranschaulichter) Stützkon- densator vorgesehen. Die Ansteuerung der jeweiligen MOSFETs
12, 14 erfolgt mit einem (pulsweiten odulierten) Steuersignal von mehr als 20 kHz Schaltfrequenz. Vorzugsweise beträgt die Schaltfrequenz 100 kHz und mehr.
Die beiden MOSFETs 12, 14 haben integrierte Freilaufdioden, welche Silizium-Sperrschichtdioden-Eigenschaften haben. Erfindungsgemäß sind parallel zu den integrierten Freilaufdioden der beiden MOSFETs 12, 14 Schottkydioden 16, 18 geschaltet, wobei die Schottkydioden 16, 18 die gleiche Orien- tierung haben wie die integrierten Freilaufdioden.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht, ist jeder MOSFET 12 mit seiner integrierten Freilaufdiode direkt an einen Kühlkörper 22 wärmeleitend angekoppelt. Die zugehörige parallelgeschaltete Schottkydiode 16 ist zwar ebenfalls mit dem Kühlkörper 22 verbunden, allerdings befindet sich zwischen der Schottkydiode 16 und dem Kühlkörper 22 ein Keramikplättchen 20, so daß die Wärmeleitung zwischen MOSFET 12 mit seiner integrierten Freilaufdiode und dem Kühlkörper 22 besser ist als zwi- sehen der Schottkydiode 16 und dem Kühlkörper 22.
In Fig. 2 ist diese Anordnung nur in Bezug auf den ersten MOSFET 12 mit seiner integrierten Freilaufdiode und parallelgeschalteter Schottkydiode 16 gezeigt. Es versteht sich je- doch, daß diese erfindungsgemäße Anordnung auch für den zweiten MOSFET 14 mit seiner integrierten Freilaufdiode und parallelgeschalteter Schottkydiode 18 gilt.

Claims

Patentansprüche
1. Halbbruckenbaugruppe zum Schalten elektrischer Leistungen bei der - wenigstens zwei Halbleiterschalter (12, 14) unter Bildung einer Halbbrücke in Serie geschaltet sind;
- jeder Halbleiterschalter (12, 14) einen Steuereingang (Gl, G2) aufweist,
- der erste Halbleiterschεtlter (12) einen ersten Leistung- sanschluß (Sl) aufweist, der mit einem hohen Spannungspotential (Vss) verbindbar ist;
- der zweite Halbleiterschalter (14) einen zweiten Leistungsanschluß (D2) aufweist, der mit einem niedrigen Spannungspotential (VDD) verbindbar ist; - ein zweiter Leistungsanschluß (Dl) jedes ersten Halbleiterschalters (12) mit einem ersten Leistungsanschluß (S2) des jeweiligen zweiten Halbleiterschalters (14) verbunden ist;
- jeder der Halbleiterschalter (12, 14) eine Freilaufdiode aufweist, die parallel zu den beiden Leistungsanschlüssen (Dl, Sl; D2, S2) des jeweiligen Halbleiterschalters (12, 14) liegt; und
- parallel zu jeder Freilaufdiode eine Schottky-Diode (16, 18) geschaltet ist,
- jeder Halbleiterschalter (12, 14) mit seiner Freilaufdiode und jede Schottky-Diode (16, 18) wärmeleitend mit einer Wärmesenke (22) verbunden sind, wobei
- der Warmewiderstand zwischen jeder Schottky-Diode (16, 18) und der Wärmesenke (22) größer dimensioniert ist als der Warmewiderstand zwischen jeder Freilaufdiode und der Wärmesenke (22) und wobei die Wärmekopplung der Schottky-Diode (16, 18) gegenüber der Wärmekopplung der integrierten Freilaufdiode derart verringert ist, daß die Durchlaßspannung der integrierten Freilaufdiode auch unter Last stets über der Durchlaßspannung der Schottky-Diode (16, 18) liegt.
2. Halbbrückenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Halbleiterschalter (14, 22; 24, 18, 26; 20, 28) durch Feldeffekt-Transistoren (FETs) oder Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate-Anschluß (IGBTs) gebildet sind.
3. Halbbrückenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Diode (16, 18) auf einem gegenüber der Freilaufdiode erhöhten Temperatur-Niveau betrieben wird.
4. Halbbrückenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schottky-Diode (16, 18) und einem als Wärmesenke (22) wirkenden Kühlkörper für die Schottky-Diode ein(e) ggf. beidseitig mit Kupfer beschichtetes Keramikplätt- chen oder Kunststoffschiebt angeordnet ist, während der Halbleiterschalter mit seiner integrierten Freilaufdiode direkt mit dem Kühlkörper thermisch gekoppelt ist.
5. Halbbrückenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß die Schottky-Diode mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelt ist, der mit der Schottky-Diode direkt thermisch verbunden ist, aber einen höheren Warmewiderstand gegenüber seiner Umgebung hat als der Kühlkörper für den Halbleiterschalter mit seiner integrierten Freilaufdiode.
6. Halbbrückenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Aufwärmphase der Halbbrückenanordnung der durch die Schottky-Diode im Freilaufbetrieb fließende Strom solange reduziert ist, bis sich die Schottky-Diode gegenüber dem Halbleiterschalter und dessen integrierter Freilaufdiode soweit erwärmt hat, daß die Durchlaßspannung der integrierten Freilaufdiode auch unter Last stets über der Durchlaßspannung der Schottky-Diode liegt.
7. Halbbrückenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare in Serie geschalteter Halbleiterschalter parallel geschaltet sind.
8. Halbbrückenanordnung Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter durch eine große Anzahl von einzelnen Halbleiterschalter-Bauelementen mit jeweils kleinen Schaltleistungen gebildet sind.
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