WO2022106339A1 - Halbleiterschalteranordnung mit wenigstens zwei leistungshalbleitern - Google Patents

Halbleiterschalteranordnung mit wenigstens zwei leistungshalbleitern Download PDF

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WO2022106339A1
WO2022106339A1 PCT/EP2021/081644 EP2021081644W WO2022106339A1 WO 2022106339 A1 WO2022106339 A1 WO 2022106339A1 EP 2021081644 W EP2021081644 W EP 2021081644W WO 2022106339 A1 WO2022106339 A1 WO 2022106339A1
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semiconductor
topological
semiconductor material
module
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PCT/EP2021/081644
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Stefan Hain
Matthias Lochner
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a topological semiconductor switch with at least two power semiconductors, in particular power transistors.
  • Inverters also known as converters, require a power module or semiconductor package to convert the direct current from a battery into alternating current.
  • the power module has topological switches with power transistors used to control the currents and generate the AC power.
  • Different configurations of power transistors are known.
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • the semiconductor material used can be silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) or any other semiconductor material.
  • the power modules have different transmission characteristics.
  • Semiconductor transistors with silicon for example, have better conductivity with larger currents and semiconductor transistors with silicon carbide with smaller currents.
  • semiconductor transistors with silicon carbide with smaller currents.
  • the use of the semiconductor materials of the semiconductor transistors can be tailored accordingly.
  • a topological semiconductor switch of the type mentioned at the outset it has at least one first power semiconductor with a first semiconductor material and at least one second power semiconductor with a second semiconductor material.
  • the core of the invention is considered to be having power semiconductors with at least two different semiconductor materials available for power electronics in alternating current generation and thereby realizing the power supply of the power electronics in a consumption-optimized manner.
  • At least two different power semiconductors are located in the topological switch. Depending on the operating range, either only those power semiconductors can be used for which the operating range is optimal in terms of effective range. Alternatively, some of the power semiconductors can also be used to be switched on in certain operating ranges.
  • Topological switches are potential switches for switching current or voltage. For example, they can have at least one power transistor. Depending on the configuration, they can also have a diode. If the power transistor cannot handle a specified amount of current on its own, several power transistors can also be connected in parallel.
  • Power semiconductors can be in the form of power transistors, power diodes, multilayer power diodes, power triodes or other power semiconductor components.
  • a power diode can be in the form of a capacitance diode, switch diode, Schottky diode, rectifier diode or Z diode.
  • a power multilayer diode can be designed as a four-layer diode.
  • a power triode can be designed as a thyristor, diac or triac.
  • a power transistor can be embodied as a bipolar transistor or field effect transistors and here in particular as a junction FET or MOSFET.
  • a power semiconductor can be designed as a Darlington transistor or IGBT.
  • the power semiconductors are preferably in the form of power transistors.
  • the number of first power semiconductors and second power semiconductors can preferably be the same. Alternatively, the number of one power semiconductor can be greater than the number of other semiconductors. Preference is given to those power semiconductors in the greater number that correspond to a power range that is defined as the main power range.
  • a semiconductor material, in particular the first semiconductor material can advantageously be silicon (Si). Silicon is a semiconductor material that has better conductivity at higher currents.
  • At least one power semiconductor in particular the power transistor having the first semiconductor material, can advantageously be in the form of an IGBT.
  • a semiconductor material, in particular the second semiconductor material can preferably be silicon carbide (SiC). This is more efficient, especially at lower currents.
  • At least one power semiconductor in particular the power transistor having the second semiconductor material, can preferably be in the form of a MOSFET.
  • two types of power transistors are provided, namely power transistors with silicon and power transistors with silicon carbide.
  • the power transistors that have the silicon are designed as IGBTs and/or the power transistors that have the silicon carbide are designed as MOSFETs.
  • the power semiconductors can preferably be in the form of power semiconductor switches.
  • the power transistors can be designed as active switches.
  • the power semiconductors can be arranged for use in the positive current direction, ie when used in an inverter in the direction of current towards the electric motor.
  • the topological switch therefore preferably has at least two different active switches for the positive current direction.
  • the reverse direction or negative current direction can vary depending on the power semiconductor be designed differently.
  • silicon carbide power transistors particularly silicon carbide MOSFETs
  • the reverse direction can go through the same power transistors.
  • IGBTs with silicon provision can be made, for example, for a diode to be arranged in the negative current direction.
  • gallium nitride GaN
  • gallium oxide Ga2Oa
  • gallium arsenide GaAs
  • carbon C
  • any semiconductor material can be used as the first semiconductor material and any other semiconductor material can be used as the second semiconductor material.
  • a third semiconductor material and a fourth semiconductor material can also be used if further optimization can be achieved as a result.
  • the complexity also increases with each additional semiconductor material, since either further inverters or further printed circuit boards have to be provided and the control is also becoming more and more complex.
  • the power semiconductors, in particular power transistors, with better efficiency in the power line provide at least 10% of the power of the power electronics in which they are installed, ie for example the inverter power. It can preferably be provided that the power semiconductors, in particular power transistors, with better efficiency in the power line provide at least 20%, at least 30% or at least 40% of the power of the power electronics in which they are installed. Furthermore, it can be provided that the power semiconductors, in particular power transistors, with better efficiency in terms of current output, provide at least 50% of the power of the power electronics in which they are installed. Furthermore, at least 60% can be provided. The better efficiency is measured by the fact that one of the semiconductor materials used has an optimal operating point for the expected average use of the inverter.
  • silicon carbide is particularly efficient at lower currents. This correlates with low acceleration and/or low driving speeds. It is therefore advantageous for a city car if a larger proportion of the power transistors have silicon carbide, since they are more efficient than, for example, power transistors with silicon for the operation primarily intended.
  • the second power semiconductors in particular power transistors
  • they are a type of booster in the event of an overtaking maneuver or a drive-up situation.
  • a large amount of inverter power can nevertheless be provided for this.
  • the proportion of second power transistors will increase because a high level of power is to be provided for acceleration.
  • the actual amount of current that is made available via the first power transistors can then be even greater than in the city car just mentioned. However, since there should be a very large margin for acceleration, an even larger number of second power diodes is provided in proportion.
  • the power of the power electronics is preferably the peak power. This is usually defined as a 10-second value. So it is the maximum power that the power electronics can provide for ten seconds.
  • the ratio of the power diodes can also be related to one another by other variables.
  • two types of power semiconductors in particular power transistors, are provided, namely power semiconductors with silicon and power semiconductors with silicon carbide.
  • the power transistors that have the silicon are designed as IGBTs and/or the power transistors that have the silicon carbide are designed as MOSFETs.
  • the invention relates to a half-bridge module with at least two topological switches.
  • the half-bridge module is characterized in that at least one of the topological switches is designed as described. All topological switches of the half-bridge module are preferably designed as described.
  • the two or two topological switches are preferably arranged in series. In this case, one of the topological switches is assigned to the negative pole of a battery and the other topological switch is assigned to the positive pole of the battery.
  • a half-bridge is understood to mean a real component that can also be purchased as such.
  • the invention relates to a B6 module with at least two half-bridges, each having at least one half-bridge module.
  • the B6 module is characterized in that at least one half-bridge module is designed as described.
  • the B6 module is also to be understood topologically.
  • the half-bridge for one phase can have several half-bridge modules in order to be able to handle the amount of current generated.
  • the number of half-bridges in an inverter or a B6 module corresponds to the number of phases to be generated.
  • the individual half-bridge can consist of several half-bridge modules.
  • the topological switches of the half-bridge modules preferably all have the same structure.
  • the half-bridge modules preferably also all have the same structure on. They then differ only in their assignment to different phases.
  • All half-bridges of the B6 module are preferably designed as described.
  • the B6 module preferably has three half-bridges.
  • the B6 module can have four half-bridges.
  • the B6 module can have six half-bridges.
  • the B6 module can have twelve half-bridges.
  • the invention relates to an inverter with at least two topological semiconductor switches and/or at least one half-bridge module and/or at least one B6 module.
  • the inverter is characterized in that at least one of the topological switches and/or the semiconductor package and/or the half-bridge module and/or the B6 module is designed as described.
  • the inverter can also have a control board, also called a control board.
  • the inverter can have a power board.
  • the semiconductor packages and/or the half-bridge modules and/or the B6 modules can be arranged on this.
  • the half-bridge modules can also be installed in other higher-level modules.
  • the semiconductor packages can also be installed in other higher-level modules.
  • the inverter can have a current sensor. With this, in particular, the strength of the output alternating current can be determined.
  • the inverter can also have a cooling device. This can be arranged in a wall of the inverter or inside the inverter.
  • the inverter can have a capacitor arrangement.
  • the capacitor arrangement can have several intermediate circuit capacitors.
  • the inverter can have plugs for connecting the power lines and/or signal lines.
  • the inverter can have an EMC filter. This can be arranged in particular on the DC side of the power lines. Alternatively or additionally, a filter can be arranged on the AC side of the power lines.
  • the invention relates to an electric motor arrangement with at least one electric motor and one inverter.
  • the electric motor arrangement is characterized in that the inverter is designed as described.
  • the electric motor arrangement can preferably have exactly one electric motor.
  • the electric motor arrangement can have at least two, in particular exactly two, electric motors.
  • the inverter is preferably the only inverter of the electric motor arrangement.
  • the inverter described can also be used to operate two electric motors.
  • the invention relates to a motor vehicle with an electric motor arrangement.
  • the motor vehicle is characterized in that the electric motor arrangement is designed as described.
  • the motor vehicle can advantageously have an electric axle and the electric motor arrangement can be arranged on the electric axle.
  • the motor vehicle can be designed as a hybrid vehicle. It can also have at least one internal combustion engine. The electric motor arrangement can then be arranged on the same or a different axis as the internal combustion engine.
  • the electric motor arrangement can preferably be arranged in a motor vehicle with a single electric axle.
  • efficiency can be further increased in hybrid vehicles, for example, because when driving purely electrically power transistors with an optimum operating point are always available in the most varied of driving situations.
  • the inverters can be designed for voltage classes of 48V, 400V or 800V. Accordingly, the power diodes can have ratings of 80 V or 120 V or 650 V or 750 V or 1200 V. The maximum blocking voltage is indicated here.
  • the motor vehicle also includes a direct current source, for example at least one battery. This feeds the inverter with direct current and/or is charged via the inverter.
  • a direct current source for example at least one battery. This feeds the inverter with direct current and/or is charged via the inverter.
  • the motor vehicle can also have a fuel cell.
  • Fig. 1 shows a motor vehicle 1 with power electronics 2, for example in the form of an inverter 3.
  • the motor vehicle 1 can in particular have an electric axle 5 .
  • the motor vehicle 1 can basically be a hybrid motor vehicle or an electric vehicle be trained.
  • the motor vehicle 1 particularly preferably has a single electric axle.
  • topological switch 6 which has three power transistors, a MOSFET 7 and two IGBTs 8.
  • the MOSFET 7 preferably has silicon carbide as the semiconductor material and the IGBTs silicon. If the topological switch is to be able to process 300 A purely as an example, the power transistors 7 and 8 must each be able to process 100 A purely as an example. They are arranged in parallel, so the current carrying capacity is added.
  • the number of power semiconductors is not precisely defined in a topological switch 6. What is certain, however, is that there is a switch function between the input 9 and the output 10 . This is realized via the topological switch 6.
  • its structure is only specified in that it has at least one first power semiconductor with a first semiconductor material and at least one second power semiconductor with a second semiconductor material.
  • the first power semiconductor is the MOSFET 7 with the first semiconductor material SiC
  • two IGBTs 8 with the second semiconductor material Si are provided as second power semiconductors.
  • these semiconductor transistors with the materials shown are preferred, but their number depends on the required current-carrying load and is therefore purely exemplary.
  • a topological switch is also usually represented with one diode per transistor. This has been omitted for the sake of clarity.
  • FIG. 3 shows a modified topological switch 6 with four transistors, two of which are in the form of MOSFETs 7 and two are in the form of IGBTs 8 .
  • the power semiconductors regardless of their specific configuration and the configuration of the topological switch 6, can preferably be controlled separately. This includes that all of them can also be controlled simultaneously or any combination of individual power semiconductors or each individual semiconductor.
  • the topological switches 6 are preferably constructed identically in each case. This means that if the topological switch has four transistors on the positive pole side, the one on the negative pole side also has them. If there are two MOSFETs and two IGBTs on the negative side, it is the same on the negative side.
  • the topological switch on the positive pole side is also called a high-side switch and the topological switch on the negative pole side is called a low-side switch.
  • FIG. 5 shows a so-called B6 module 18.
  • This has a half-bridge 20 for each phase PH1, PH2 and PH3 of a multi-phase electric motor that is to be provided.
  • a half-bridge 20 can have a half-bridge module 12 or else two or more.
  • a half-bridge 20 is therefore also a topology. It has the function of providing a phase current.
  • a B6 module 18 has three half-bridges 20 and thus at least three half-bridge modules 12.
  • the topological switches 6 in the half-bridge modules are preferably constructed identically. reference sign

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen topologischer Halbleiterschalter für eine Leistungselektronik mit wenigstens zwei Leistungshalbleitern, insbesondere Leistungstransistoren, dadurch gekennzeichnet, dass der topologische Halbleiterschalter wenigstens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.

Description

HALBLEITERSCHALTERANORDNUNG MIT WENIGSTENS ZWEI LEISTUNGSHALBLEITERN
Die Erfindung betrifft einen topologischer Halbleiterschalter mit wenigstens zwei Leistungshalbleitern, insbesondere Leistungstransistoren.
Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul oder ein Halbleiterpackage, damit der aus einer Batterie stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungsmodul 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. Je nach Ausgestaltung des Leistungstransistors und des Halbleitermaterials weisen die Leistungsmodule unterschiedliche Durchlasskennlinien auf.
Halbleitertransistoren mit Silizium weisen beispielsweise bei größeren Strömen eine bessere Leitfähigkeit auf und Halbleitertransistoren mit Siliziumcarbid bei kleineren Strömen. Je nachdem, wo der Hauptbetriebsbereich des Inverters gesehen wird, kann die Verwendung der Halbleitermaterialien der Halbleitertransistoren darauf abgestimmt werden.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen topologischen Halbleiterschalter anzugeben, bei dem die Effizienz weiter gesteigert ist und der dabei kostengünstig zu realisieren ist.
Zur Lösung dieses Problems wird bei einem topologischen Halbleiterschalter der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass er wenigstens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist. Als Kern der Erfindung wird angesehen, für eine Leistungselektronik bei der Wechselstromerzeugung Leistungshalbleiter mit wenigstens zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien zur Verfügung zu haben und dadurch die Stromversorgung des der Leistungselektronik verbrauchsoptimiert zu realisieren. In dem topologischen Schalter befinden sich wenigstens zwei unterschiedliche Leistungshalbleiter. Je nach Betriebsbereich können dabei entweder ausschließlich diejenigen Leistungshalbleiter verwendet werden, für die der Betriebsbereich vom Wirkungsbereich her optimal ist. Alternativ kann ein Teil der Leistungshalbleiter auch verwendet werden, um in bestimmten Betriebsbereichen zugeschaltet zu werden.
Topologische Schalter sind mögliche Schalter zum Schalten von Strom oder Spannung. Sie können bspw. wenigstens einen Leistungstransistor aufweisen. Je nach Ausgestaltung können sie auch eine Diode aufweisen. Kann der Leistungstransistor eine vorgegebene Strommenge nicht alleine bewältigen können aber auch mehrere Leistungstransistoren parallel geschaltet werden.
Leistungshalbleiter können als Leistungstransistor, Leistungsdiode, Leistungsmehrschichtdioden, Leistungstrioden oder als andere Leistungshalbleiterbauteile ausgebildet sein. Eine Leistungsdiode kann als Kapazitätsdiode, Schalterdiode, Schottky-Di- ode, Gleichrichter-Diode oder Z-Diode ausgebildet sein. Eine Leistungs-Mehrschichtdiode kann als Vierschichtdiode ausgebildet sein. Eine Leistungstrioden kann als Thyristor, Diac oder Triac ausgebildet sein. Ein Leistungstransistor kann als bipolarer Transistor oder Feldeffekttransistoren und hier insbesondere als Sperrschicht-FET oder MOSFET, ausgebildet sein. Weiterhin kann ein Leistungshalbleiter als Darlington-Transistor oder IGBT ausgebildet sein.
Bevorzugt sind die Leistungshalbleiter als Leistungstransistoren ausgebildet.
Bevorzugt kann die Anzahl der ersten Leistungshalbleiter und der zweiten Leistungshalbleiter gleich sein. Alternativ kann die Anzahl der einen Leistungshalbleiter größer sein als die Anzahl der anderen Halbleiter. Bevorzugt sind dabei diejenigen Leistungshalbleiter in der größeren Anzahl, die einem Leistungsbereich entsprechen, der als Hauptleistungsbereich festgelegt ist. Vorteilhafterweise kann ein Halbleitermaterial, insbesondere das erste Halbleitermaterial, Silizium (Si) sein. Silizium ist ein Halbleitermaterial, das bei höheren Strömen eine bessere Leitfähigkeit aufweist.
Vorteilhafterweise kann wenigstens ein Leistungshalbleiter, insbesondere der das erste Halbleitermaterial aufweisende Leistungstransistor, als IGBT ausgebildet sein.
Bevorzugt kann ein Halbleitermaterial, insbesondere das zweite Halbleitermaterial, Siliziumcarbid (SiC) sein. Dieses ist vor allem bei niedrigeren Strömen effizienter.
Vorzugsweise kann wenigstens ein Leistungshalbleiter, insbesondere der das zweite Halbleitermaterial aufweisende Leistungstransistor, als MOSFET ausgebildet sein.
In einer Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass zwei Arten von Leistungstransistoren vorgesehen sind, nämlich Leistungstransistoren mit Silizium und Leistungstransistoren mit Siliziumcarbid. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren, die das Silizium aufweisen, als IGBTs ausgestaltet sind und / oder die Leistungstransistoren, die das Siliziumcarbid aufweisen als MOS- FETs ausgestaltet sind.
Die Leistungshalbleiter können, unabhängig vom verwendeten Halbleitermaterial, bevorzugt als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein. Insbesondere können die Leistungstransistoren als aktive Schalter ausgestaltet sein. Es kann zwar auch passive Schalter, beispielsweise in Form von Dioden, in einer Leistungselektronik wie einem Inverter geben, jedoch sind zumindest zwei unterschiedliche Arten von aktiven Schaltern vorzusehen.
Insbesondere können die Leistungshalbleiter zur Verwendung in der positiven Stromrichtung, also bei Verwendung in einem Inverter in der Stromrichtung zum Elektromotor hin, angeordnet sein. Der topologische Schalter weist also bevorzugt für die positive Stromrichtung wenigstens zwei unterschiedliche aktive Schalter auf. Die Rückwärtsrichtung oder negative Stromrichtung kann je nach Leistungshalbleiter
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unterschiedlich ausgestaltet sein. Bei Leistungstransistoren mit Siliziumcarbid, insbesondere MOSFETs mit Siliziumcarbid, kann die Rückwärtsrichtung durch dieselben Leistungstransistoren gehen. Bei IGBTs mit Silizium kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in der negativen Stromrichtung eine Diode angeordnet ist.
Weiterhin kann als Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann als Halbleitermaterial Galliumoxid (Ga2Oa) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann als Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann Kohlenstoff (C) als Halbleitermaterial verwendet werden.
Grundsätzlich kann jedes Halbleitermaterial zur Verwendung als erstes Halbleitermaterial verwendet werden und jedes andere Halbleitermaterial als zweites Halbleitermaterial. Auch können ein drittes Halbleitermaterial und ein viertes Halbleitermaterial eingesetzt werden, wenn eine weitere Optimierung dadurch erreicht werden kann. Allerdings steigt auch mit jedem zusätzlichen Halbleitermaterial die Komplexität, da entweder weitere Inverter oder weitere Leiterplatten vorzusehen sind und auch die Ansteuerung immer aufwendiger wird.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, mit der besseren Effizienz in der Stromleitung wenigstens 10 % der Leistung der Leistungselektronik, in der sie verbaut sind, also bspw. der Inverterleistung, stellen. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, mit der besseren Effizienz in der Stromleitung wenigstens 20%, wenigstens 30% oder wenigstens 40 % der Leistung der Leistungselektronik, in der sie verbaut sind, stellen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, mit der besseren Effizienz in der Stromleistung wenigstens 50 % der Leistung der Leistungselektronik, in der sie verbaut sind, stellen. Weiterhin können wenigstens 60 % vorgesehen sein. Die bessere Effizienz bemisst sich dabei daran, dass bei der durchschnittlich erwarteten Verwendung des Inverters eines der verwendeten Halbleitermaterialien einen optimalen Betriebspunkt hat. Beispielsweise ist Siliziumcarbid bei niedrigeren Strömen besonders effizient. Dies korreliert mit niedrigen Beschleunigungen und / oder niedrigen Fahrgeschwindigkeiten. Für ein Stadtauto ist es also vorteilhaft, wenn ein größerer Anteil der Leistungstransistoren Siliziumcarbid aufweist, da die für den hauptsächlich vorgesehenen Betrieb effizienter sind als beispielsweise Leistungstransistoren mit Silizium.
Werden die zweiten Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, nur bei großen Beschleunigungen verwendet sind diese eine Art Booster für den Fall eines Überholvorgangs oder einer Auffahrt-Fahrsituation. Je nach Ausgestaltung kann für diese trotzdem eine große Menge an der Inverterleistung vorgesehen sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass bei Sportwägen der Anteil der zweiten Leistungstransistoren steigt, weil für die Beschleunigung eine große Leistung vorgesehen sein soll.
Dann kann die eigentliche Strommenge, die über die ersten Leistungstransistoren zur Verfügung gestellt wird, sogar größer sein als bei dem gerade erwähnten Stadtauto. Da für die Beschleunigung aber ein sehr großer Spielraum bestehen soll wird im Verhältnis eine noch größere Anzahl an zweiten Leistungsdioden vorgesehen.
Insbesondere kann man dabei neben der reinen Effizienz auch Kostengesichtspunkte berücksichtigen. So kann man diejenigen Leistungstransistoren, die sozusagen nur kurzzeitig verwendet werden, möglichst kostengünstig ausgestalten. Auch wenn diese in der Effizienz eher schlecht ausgebildet sind, kann so ein kurzfristiger Leistungshub kostengünstig realisiert werden. Die Gesamtbilanz wird dadurch aber auch nur unwesentlich verschlechtert.
Die Leistung der Leistungselektronik, insbesondere Inverterleistung, auf die dabei referenziell wird, ist bevorzugt die Peakleistung. Diese ist üblicherweise als 10-Sekun- den-Wert festgelegt. Es ist also diejenige maximale Leistung, die die Leistungselektronik für zehn Sekunden zur Verfügung stellen kann. Natürlich kann das Verhältnis der Leistungsdioden auch durch andere Größen zueinander in Bezug gesetzt werden. In einer Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass zwei Arten von Leistungshalbleitern, insbesondere Leistungstransistoren, vorgesehen sind, nämlich Leistungshalbleiter mit Silizium und Leistungshalbleiter mit Siliziumcarbid. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren, die das Silizium aufweisen, als IGBTs ausgestaltet sind und / oder die Leistungstransistoren, die das Siliziumcarbid aufweisen als MOSFETs ausgestaltet sind.
Daneben betrifft die Erfindung ein Halbbrückenmodul wenigstens zwei topologischen Schaltern. Das Halbbrückenmodul zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der topologischen Schalter wie beschrieben ausgebildet ist. Bevorzugt sind alle topologischen Schalter des Halbbrückenmoduls wie beschrieben ausgebildet. Bevorzugt sind die beiden oder jeweils zwei topologische Schalter in Serie angeordnet. Dabei ist einer der topologischen Schalter dem Minuspol einer Batterie und der andere topologische Schalter dem Pluspol der Batterie zugeordnet.
Man kann also auch von einer Halbbrückentopologie sprechen. Zwei topologische Schalter in Serie bilden ein topologisches Halbbrückenelement. Zur Bildung einer Halbbrücke können mehrere dieser Halbbrückenelemente parallel geschaltet sein. Als Halbbrücke wird dabei ein reales Bauteil verstanden, das auch als solches kaufbar ist.
Daneben betrifft die Erfindung ein B6-Modul mit wenigstens zwei Halbbrücken aufweisend jeweils wenigstens ein Halbbrückenmodul. Das B6-Modul zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Halbbrückenmodul wie beschrieben ausgebildet ist. Auch das B6-Modul ist topologisch zu verstehen. Die Halbbrücke für eine Phase kann mehrere Halbbrückenmodule aufweisen, um die anfallende Strommenge bewältigen zu können. Die Anzahl der Halbbrücken eines Inverters bzw. eines B6-Moduls entspricht der Anzahl der zu erzeugenden Phasen. Die einzelne Halbbrücke kann aber aus mehreren Halbbrückenmodulen bestehen.
Bevorzugt weisen die topologischen Schalter der Halbbrückenmodule alle denselben Aufbau auf. Bevorzugt weisen auch die Halbbrückenmodule alle denselben Aufbau auf. Sie unterscheiden sich dann nur in ihrer Zuordnung zu unterschiedlichen Phasen.
Vorzugsweise sind alle Halbbrücken des B6-Moduls wie beschrieben ausgebildet.
Bevorzugt weist das B6-Modul drei Halbbrücken auf. Alternativ kann das B6-Modul vier Halbbrücken aufweisen. Weiter alternativ kann das B6-Modul sechs Halbbrücken aufweisen. Weiter alternativ kann das B6-Modul zwölf Halbbrücken aufweisen.
Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter mit wenigstens zwei topologischen Halbleiterschaltern und/oder wenigstens einem Halbbrückenmodul und/oder wenigstens einem B6-Modul. Der Inverter zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der topologischen Schalter und/oder das Halbleiterpackage und/oder das Halbbrückenmodul und/oder das B6-Modul wie beschrieben ausgebildet ist.
Der Inverter kann weiterhin eine Kontrollboard, auch Steuerungsboard genannt, aufweisen.
Weiterhin kann der Inverter ein Leistungsboard aufweisen. Auf diesem können die Halbleiterpackages und/oder die Halbbrückenmodule und/oder die B6-Module angeordnet sein. Statt der B6-Module können die Halbbrückenmodule auch in anderen übergeordneten Modulen verbaut sein. Auch können die Halbleiterpackages in anderen übergeordneten Modulen verbaut sein.
Weiterhin kann der Inverter einen Stromsensor aufweisen. Mit diesem kann insbesondere die Stärke des ausgegebenen Wechselstroms bestimmt werden.
Auch kann der Inverter eine Kühlvorrichtung aufweisen. Diese kann in einer Wand des Inverters angeordnet sein oder innerhalb des Inverters.
Weiterhin kann der Inverter eine Kondensatoranordnung aufweisen. Die Kondensatoranordnung kann mehrere Zwischenkreiskondensatoren besitzen. Weiterhin kann der Inverter Stecker zur Anbindung der Stromleitungen und/oder von Signalleitungen aufweisen.
Weiterhin kann der Inverter einen EMV-Filter aufweisen. Dieser kann insbesondere an der Gleichstromseite der Stromleitungen angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Filter an der Wechselstromseite der Stromleitungen angeordnet sein.
Daneben betrifft die Erfindung eine Elektromotoranordnung mit wenigstens einem Elektromotor und einem Inverter. Die Elektromotoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Inverter wie beschrieben ausgebildet ist.
Vorzugsweise kann die Elektromotoranordnung genau einen Elektromotor aufweisen. Alternativ kann die Elektromotoranordnung wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Elektromotoren aufweisen. Der Inverter ist bevorzugt der einzige Inverter der Elektromotoranordnung. Der beschriebene Inverter kann nämlich auch zum Betrieb zweier Elektromotoren verwendet werden.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Elektromotoranordnung. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektromotoranordnung wie beschrieben ausgebildet ist.
Das Kraftfahrzeug kann vorteilhafterweise eine elektrische Achse aufweisen und die Elektromotoranordnung an der elektrischen Achse angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Es kann also auch wenigstens einen Verbrennungsmotor aufweisen. Dann kann die Elektromotoranordnung an derselben oder einer anderen Achse angeordnet sein wie der Verbrennungsmotor.
Bevorzugt kann die Elektromotoranordnung in einem Kraftfahrzeug mit einer einzigen elektrischen Achse angeordnet sein. Dadurch kann die Effizienz beispielsweise in Hybrid-Fahrzeugen weiter gesteigert werden, da bei rein elektrischer Fahrt bei unterschiedlichsten Fahrsituationen immer Leistungstransistoren mit einem optimalen Betriebspunkt zur Verfügung stehen.
Die Inverter können dabei für Spannungsklassen von 48 V, 400 V oder 800 V ausgebildet sein. Die Leistungsdioden können dementsprechend Raitings von 80 V oder 120 V oder 650 V oder 750 V oder 1200 V aufweisen. Dabei ist die maximale Sperrspannung bezeichnet.
Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine Gleichstromquelle, bspw. wenigstens eine Batterie. Diese speist den Inverter mit Gleichstrom und/oder wird über den Inverter geladen.
Alternativ kann das Kraftfahrzeug auch eine Brennstoffzelle aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug,
Fig. 2 einen topologischen Schalter in einer ersten Ausgestaltung,
Fig. 3 einen topologischen Schalter in einer zweiten Ausgestaltung,
Fig. 4 ein Halbbrückenmodul, und
Fig. 5 ein B6-Modul.
Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Leistungselektronik 2, beispielsweise in Form eines Inverters 3. Dieser umfasst u.a. ein Leistungsmodul 4.
Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Das Kraftfahrzeug 1 kann grundsätzlich als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist das Kraftfahrzeug 1 eine einzige elektrische Achse auf.
Im Folgenden werden die Bauteile des Leistungsmoduls 4 von „unten“ nach „oben“ beschrieben:
Fig. 2 zeigt einen topologischen Schalter 6 dieser weist drei Leistungstransistoren auf, einen MOSFET 7 und zwei IGBTs 8. Der MOSFET 7 weist als Halbleitermaterial bevorzugt Siliziumcarbid auf und die IGBTs Silizium. Soll der topologische Schalter rein exemplarisch 300 A verarbeiten können, müssen die Leistungstransistoren 7 und 8 rein exemplarisch jeweils 100 A verarbeiten können. Sie sind parallel angeordnet, daher addiert sich die Stromtraglast.
Wie man sieht ist die Anzahl der Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren 7 und 8, bei einem topologischen Schalter 6 nicht genau festgelegt. Feststehend ist aber, dass zwischen dem Eingang 9 und dem Ausgang 10 eben eine Schalterfunktion vorhanden ist. Diese ist über den topologischen Schalter 6 realisiert. Dessen Aufbau ist wie beschrieben lediglich dahingehend festgelegt, dass er wenigstens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist. In diesem Beispiel ist der erste Leistungshalbleiter der MOSFET 7 mit dem ersten Halbleitermaterial SiC und als zweite Leistungshalbleiter sind zwei IGBTs 8 mit dem zweiten Halbleitermaterial Si vorgesehen. Dabei werden diese Halbleitertransistoren mit den gezeigten Materialien bevorzugt, ihre Anzahl ist aber von der benötigten Stromtraglast abhängig und daher rein exemplarisch.
Üblicherweise wird ein topologischer Schalter auch mit einer Diode pro Transistor dargestellt. Dies ist der Übersichtlichkeit halber entfallen.
Fig. 3 zeigt einen abgewandelten topologischen Schalter 6 mit vier Transistoren, wovon zwei als MOSFET 7 und zwei als IGBT 8 ausgebildet sind. Dies zeigt die Variabilität eines topologischen Schalters 6. Es sei darauf hingewiesen, dass die Leistungshalbleiter, unabhängig von ihrer konkreten Ausgestaltung und der Ausgestaltung des topologischen Schalters 6, bevorzugt getrennt ansteuerbar sind. Dies schließt mit ein, dass alle auch gleichzeitig ansteuerbar sind oder jede Kombination einzelner Leistungshalbleiter oder jeder einzelne Halbleiter.
Fig. 4 zeigt ein Halbbrückenmodul 12. Dieses weist zwei in Reihe geschaltete topologische Schalter 6 auf. Der Eingang 9 ist mit dem Pluspol einer Batterie zu verbinden und der Ausgang 10 mit dem Minuspol. An der Verbindung 14 kann ein Phasenstrom an der Phasenleitung 16 abgegriffen werden. Jeder der topologischen Schalter 6 kann wie zu den Figuren 2 oder 3 ausgebildet sein. Die topologischen Schalter 6 sind aber bevorzugt jeweils identisch aufgebaut. D.h. hat der topologische Schalter auf der Pluspolseite vier Transistoren, hat es derjenige auf der Minuspolseite auch. Sind auf der Minuspolseite zwei MOSFETs und zwei IGBTs, ist es auf der Minuspolseite ebenso.
Der topologische Schalter auf der Pluspolseite wird auch Highside-Schalter genannt und der topologische Schalter auf der Minuspolseite Lowside-Schalter.
Fig. 5 zeigt ein sogenanntes B6-Modul 18. Dieses weist für jede bereitzustellende Phase PH1 , PH2 und PH3 eines mehrphasigen Elektromotors eine Halbbrücke 20 auf. Je nach Stromtraglast kann eine Halbbrücke 20 ein Halbbrückenmodul 12 oder auch zwei oder mehrere aufweisen. Eine Halbbrücke 20 ist also auch eine Topologie. Sie hat die Funktion der Bereitstellung eines Phasenstroms. Bei drei Phasenströmen hat ein B6-Modul 18 drei Halbbrücken 20 und damit zumindest drei Halbbrückenmodule 12. In den Halbbrückenmodulen sind die topologischen Schalter 6 bevorzugt identisch aufgebaut. Bezuqszeichen
Kraftfahrzeug
Leistungselektronik
Inverteranordnung
Leistungsmodul elektrische Achse
Elektromotoranordnung
MOSFET
IGBT
Eingang
Ausgang
Halbbrückenmodul
Verbindung
Phase
B6-Modul
Halbbrücke

Claims

Patentansprüche
1 . Topologischer Halbleiterschalter für eine Leistungselektronik mit wenigstens zwei Leistungshalbleitern, insbesondere Leistungstransistoren, dadurch gekennzeichnet, dass der topologische Halbleiterschalter wenigstens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist.
2. Topologischer Halbleiterschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der beide Leistungshalbleiter mit dem Minuspol einer Batterie oder dem Pluspol der Batterie verbunden sind.
3. Topologischer Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der ersten Leistungshalbleiter und der zweiten Leistungshalbleiter gleich ist.
4. Topologischer Halbleiterschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleitermaterial, insbesondere das erste Halbleitermaterial, Silizium (Si) ist.
5. Topologischer Halbleiterschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Leistungshalbleiter, insbesondere der das erste Halbleitermaterial aufweisende Leistungstransistor, als IGBT ausgebildet ist.
6. Topologischer Halbleiterschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleitermaterial, insbesondere das zweite Halbleitermaterial, Siliziumcarbid (SiC) ist.
7. Topologischer Halbleiterschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Leistungshalbleiter, insbesondere der das zweite Halbleitermaterial aufweisende Leistungstransistor, als MOSFET ausgebildet ist.
8. Halbleiterpackage mit wenigstens einem topologischen Schalter, dadurch gekennzeichnet, dass der topologische Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
9. Halbbrückenmodul mit wenigstens einem Halbleiterpackage und/oder wenigstens zwei topologischen Schaltern, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterpackage nach Anspruch 8 und/oder wenigstens einer der topologischen Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
10. B6-Modul mit wenigstens zwei Halbbrückenmodulen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Halbbrückenmodul nach Anspruch 9 ausgebildet ist.
11 . Inverter mit wenigstens zwei topologischen Halbleiterschaltern und/oder wenigstens einem Halbleiterpackage und/oder wenigstens einem Halbbrückenmodul und/oder wenigstens einem B6-Modul, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der topologischen Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7und/oder das Halbleiterpackage nach Anspruch 8 und/oder das Halbbrückenmodul nach Anspruch 9 und/oder das B6-Modul nach Anspruch 10 ausgebildet ist.
12. Elektromotoranordnung mit wenigstens einem Elektromotor und einem Inverter, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter nach Anspruch 11 ausgebildet ist.
13. Kraftfahrzeug mit einer Elektromotoranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoranordnung (6) nach Anspruch 12 ausgebildet ist.
14. Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es eine, insbesondere eine einzige, elektrische Achse (5) aufweist.
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