WO2022263233A1 - Niederinduktive verschienung zwischen halbbrückemodul und zwischenkreis - Google Patents

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WO2022263233A1
WO2022263233A1 PCT/EP2022/065406 EP2022065406W WO2022263233A1 WO 2022263233 A1 WO2022263233 A1 WO 2022263233A1 EP 2022065406 W EP2022065406 W EP 2022065406W WO 2022263233 A1 WO2022263233 A1 WO 2022263233A1
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power
busbars
intermediate circuit
power module
connection
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PCT/EP2022/065406
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English (en)
French (fr)
Inventor
Josef SCHADAUER
Benjamin PESSL
Michael SPIELHOFER
Original Assignee
Magna powertrain gmbh & co kg
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    • 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
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection

Definitions

  • the present invention relates to a power electronic circuit for an inverter, in particular for an inverter of a hybrid or electric vehicle, comprising at least one intermediate circuit capacitor and at least one power module with at least one power semiconductor, the intermediate circuit capacitor being electrically connected to the power semiconductor of the power module via at least two busbars is.
  • inverters, half-bridge modules or three-phase modules are used. These are usually connected directly to an intermediate circuit capacitor via busbars that run side by side. The distance between the busbars is kept as small as possible due to parasitic inductances.
  • This parasitic inductance causes large voltage peaks (“voltage overshoot”) during the (off) switching process, particularly in the case of fast-switching power semiconductors. For this reason, the switching speed must be limited so that the blocking voltage of the power semiconductor is not reached or exceeded. Since the switching losses are calculated from the product of current and voltage in the switching process, such voltage overshoots make a significant contribution to the switching losses.
  • the parasitic inductance limits the switching speeds, since a larger inductance leads to a greater tendency to oscillate.
  • the phenomena described above can be controlled. Significantly higher switching speeds are achieved with SiC or GaN power semiconductors and the voltage overshoots result in massive restrictions when switching (off) so that the potential of the SiC or GaN power semiconductors cannot be fully exploited.
  • Document EP 0 166968 A1 discloses a semiconductor module for a fast switching arrangement with an active semiconductor switching element and a freewheeling diode, which are arranged in the immediate vicinity, and with a common load connection of the semiconductor switching element and freewheeling diode.
  • the semiconductor switching element and the freewheeling diode are based on the common load connection in the same direction flows through current from a DC voltage source, which is connected to the other terminals of the semiconductor switching element and freewheeling diode; the respective other connections to the semiconductor switching element and freewheeling diode are each connected to one of two conductor layers separated by an insulating layer, which are arranged in the immediate vicinity of the semiconductor switching element and freewheeling diode and are traversed in the same direction by the load current.
  • module-external stray inductances are not taken into account and can accordingly have a disadvantageous effect on the switching behavior of the semiconductor module.
  • a power electronic circuit according to the invention is intended in particular for use in an inverter of an electric or hybrid motor vehicle.
  • the power electronic circuit comprises at least one intermediate circuit capacitor and at least one power module with at least one power semiconductor, the intermediate circuit capacitor being electrically connected to the power semiconductor of the power module via at least two busbars.
  • the busbars are designed in such a way that they are routed area-wise parallel and are arranged next to one another only in the area in which the connection to the power semiconductor of the power module is set.
  • an insulating means is introduced between the conductor rails.
  • the insulating means is preferably designed as a film, such as a Kapton® film.
  • the power module includes at least one half-bridge circuit, the half-bridge circuit having two power semiconductors.
  • the design of the power electronic circuit according to the invention makes it possible to minimize the leakage inductance. This is necessary in order to enable higher switching edges and thus also higher switching frequencies, of which technologies such as SiC and GaN-based power semiconductors conductors, gaining efficiency benefits and reducing voltage overshoots.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a connection between an intermediate circuit capacitor and a power module.
  • Fig. 2 shows a sectional view of a connection between a
  • FIG. 1 and 2 show an exemplary power electronic circuit 1 according to the present invention.
  • the power electronic circuit 1 includes an intermediate circuit capacitor 2 and a power module 3.
  • a DC voltage source (not shown) is connected to a two-phase DC voltage input of the power module 3 via two busbars, namely a first busbar 4 and a second busbar 5 . Furthermore, the intermediate circuit capacitor 2 is connected to the DC voltage input of the power processing module 3 electrically coupled.
  • the power module 3 has three half-bridge circuits, each half-bridge circuit having two power semiconductors, also called semiconductor switches (not shown).
  • each half-bridge circuit having two power semiconductors, also called semiconductor switches (not shown).
  • circuits with, for example, two, four, five, six or any other number of half-bridge circuits are also conceivable.
  • the power semiconductors are, for example, bipolar transistors with an insulated gate electrode (IGBTs), metal oxide field effect transistors (MOSFETs), for example based on Si, SiC or GaN technology. Other known power semiconductors can also be considered for use.
  • IGBTs insulated gate electrode
  • MOSFETs metal oxide field effect transistors
  • All half-bridge circuits are electrically connected at one connection via the first busbar 4 to a connection of the intermediate circuit capacitor 2 and at another connection via the second busbar 5 to a further connection of the intermediate circuit capacitor 2 is electrically connected.
  • Respective nodes of the half-bridge circuits can each be electrically connected via an AC voltage line to, for example, a phase connection of an electrical machine.
  • the power semiconductors of the half-bridge circuits are controlled via a control unit.
  • the two busbars In electrical operation, the two busbars, namely the first busbar 4 and the second busbar 5, have a different potential P+, P- to one another.
  • the busbars 4, 5 are designed in such a way that they are routed parallel over a surface area in some areas and are arranged next to one another only in the area in which the connection to the power module 3 is made.
  • the busbars 4 , 5 are arranged along a connection plane 7 and are electrically conductively connected to the two-phase DC voltage input of the power module 3 on a connection side 8 of the connection plane 7 .
  • an insulating means 6 is introduced between the busbars 4 , 5 .
  • the isolating onffen 6 is formed in the present embodiment as a Kapton® film.
  • the insulating means 6 has the task of electrically isolating the two busbars 4, 5 from one another.

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Abstract

Leistungselektronische Schaltung (1) für einen Inverter umfassend zumindest einen Zwischenkreiskondensator (2) sowie zumindest ein Leistungsmodul (3) mit zumindest einem Leistungshalbleiter, wobei der Zwischenkreiskondensator (2) über zumindest zwei Stromschienen (4, 5) mit dem Leistungshalbleiter des Leistungsmoduls (3) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (4, 5) derart ausgebildet sind, dass sie bereichsweise flächigparallel geführt sind und lediglich im Bereich in welchem die Verbindung zu dem Leistungshalbleiter des Leistungsmoduls (3) gesetzt ist, nebeneinander angeordnet sind, wobei zumindest in dem Bereich in dem die Stromschienen (4, 5) flächigparallel geführt sind zwischen den Stromschienen (4, 5) ein Isolationsmittel (6) angeordnet ist.

Description

NIEDERINDUKTIVE VERSCHIENUNG ZWISCHEN HALBBRÜCKEMODUL UND ZWISCHENKREIS
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine leistungselektronische Schaltung für einen Inverter, insbesondere für einen Inverter eines Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeugs, umfassend zumindest einen Zwischenkreiskondensator sowie zumindest ein Leis tungsmodul mit zumindest einem Leistungshalbleiter, wobei der Zwischenkreis kondensator über zumindest zwei Stromschienen mit dem Leistungshalbleiter des Leistungsmoduls elektrisch verbunden ist.
Stand der Technik
Nach aktuellem Stand der Technik werden Invertern Halbbrückenmodule oder dreiphasige Module eingesetzt. Diese werden in der Regel über nebeneinander verlaufende Stromschienen direkt mit einem Zwischenkreiskondensator verbun den. Der Abstand zwischen den Stromschienen wird dabei aufgrund von parasitä ren Induktivitäten so gering wie möglich gehalten. Diese parasitäre Induktivität verursacht insbesondere bei schnell schaltenden Leistungshalbleitern große Spannungsspitzen („Spannungsüberschwinger“) beim (Ab-)Schaltvorgang. Aus diesem Grund muss die Schaltgeschwindigkeit begrenzt werden, damit die Sperr spannung der Leistungshalbleiter nicht erreicht bzw. überschritten wird. Da sich die Schaltverluste aus dem Produkt aus Strom und Spannung im Schaltvorgang errechnen, liefern solche Spannungsüberschwinger einen maßgeblichen Beitrag zu den Schaltverlusten. Zusätzlich limitiert die parasitäre Induktivität die Schaltge schwindigkeiten, da eine größere Induktivität zu einer größeren Schwingneigung führt. Bei Verwendung herkömmlicher IGBTs auf Siliziumbasis können die zuvor be schriebenen Phänomene beherrscht werden. Bei SiC- oder GaN- Leistungshalbleitern werden wesentlich höhere Schaltgeschwindigkeiten erreicht und die Spannungsüberschwinger führen beim (Ab-)Schalten zu massiven Ein schränkungen, so dass das Potential der SiC- oder GaN-Leistungshalbleiter nicht vollständig ausgenutzt werden kann.
Aus der Druckschrift EP 0 166968 A1 ist ein Halbleiter-Modul für eine schnelle Schaltanordnung bekannt mit einem aktiven Halbleiterschaltelement und einer Freilaufdiode, die in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet sind, sowie mit ei nem gemeinsamen Lastanschluss von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode. Das Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode werden bezogen auf den ge meinsamen Lastanschluss gleichsinnig von Strom aus einer Gleichspannungs quelle durchflossen, die an die jeweils anderen Anschlüsse von Halbleiterschalt element und Freilaufdiode angeschlossen ist; wobei die jeweils anderen An schlüsse von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode jeweils mit einer von zwei durch eine Isolierschicht getrennten Leiterschichten verbunden sind, die in unmit telbarer Nachbarschaft von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode angeordnet sind und vom Laststrom gleichsinnig durchflossen werden. Insoweit es sich dabei um eine spezielle modulinterne Verschaltung handelt, bleiben modulexterne Streuinduktivitäten unberücksichtigt und können sich dementsprechend nachteilig auf das Schaltverhalten des Halbleiter-Moduls auswirken.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung leistungselektronische Schaltung bereitzustel len, bei der die Summe der parasitären Induktivitäten bzw. die Gesamt- Streuinduktivität verringert wird.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße leistungselektronische Schaltung ist insbesondere für den Einsatz in einem Inverter eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugs vorgesehen.
Die leistungselektronische Schaltung umfasst entsprechend der vorliegenden Erfindung zumindest einen Zwischenkreiskondensator sowie zumindest ein Leis tungsmodul mit zumindest einem Leistungshalbleiter, wobei der Zwischenkreis kondensator über zumindest zwei Stromschienen mit dem Leistungshalbleiter des Leistungsmoduls elektrisch verbunden ist.
Die Stromschienen sind erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sie bereichs weise flächig-parallel geführt sind und lediglich im Bereich in welchem die Verbin dung zu dem Leistungshalbleiter des Leistungsmodul gesetzt ist, nebeneinander angeordnet sind.
Weiterhin erfindungsgemäß ist zumindest in dem Bereich, in dem die Stromschie nen flächig-parallel geführt sind zwischen den Stromschienen ein Isolationsmittel eingebracht.
Bevorzugt ist das Isolationsmittel als Folie, wie beispielsweise als Kapton®-Folie, ausgebildet.
Das Leistungsmodul umfasst zumindest eine Halbbrückenschaltung, wobei die Halbbrückenschaltung zwei Leistungshalbleiter aufweist.
Vermittels der erfindungsgemäßen Ausbildung der leistungselektronischen Schal tung ist es möglich die Streuinduktivität zu minimieren. Dies ist erforderlich, um höhere Schaltflanken und damit auch höhere Schaltfrequenzen zu ermöglichen, wovon insbesondere Technologien wie auf SiC- und GaN-basierte Leistungshalb- leiter profitieren, und Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades zu erzielen sowie Spannungsüberschwinger zu reduzieren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeich nungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verbindung zwischen einem Zwischenkreiskondensator und einem Leistungsmodul.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer Verbindung zwischen einem
Zwischenkreiskondensator und einem Leistungsmodul entlang der Schnittebene S gemäß Fig. 1.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine beispielhafte leistungselektronische Schaltung 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Die leistungselektronische Schaltung 1 umfasst einen Zwischenkreiskonden sator 2 sowie ein Leistungsmodul 3.
Eine Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) ist über zwei Stromschienen, näm lich eine erste Stromschiene 4 und eine zweite Stromschiene 5, mit einem zwei- phasigen Gleichspannungseingang des Leistungsmoduls 3 verbunden. Weiterhin ist der Zwischenkreiskondensator 2 mit dem Gleichspannungseingang des Leis- tungsmoduls 3 elektrisch gekoppelt.
Das Leistungsmodul 3 weist drei Halbbrückenschaltungen auf, wobei jede Halb brückenschaltung zwei Leistungshalbleiter, auch Halbleiterschalter genannt, auf weist (nicht dargestellt). Eine derartige Ausführung mit drei Halbbrückenschaltun gen stellt jedoch lediglich eine beispielhafte Ausführungsform dar - es sind auch Schaltungen mit beispielsweise zwei, vier, fünf, sechs oder einer beliebigen ande ren Anzahl an Halbbrückenschaltungen denkbar.
Bei den Leistungshalbleitern handelt es sich beispielsweise um Bipolare Transisto ren mit isolierter „Gate“-Elektrode (IGBTs), Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), beispielswiese basierend auf Si-, SiC- oder GaN-Technologie. Auch andere bekannte Leistungshalbleiter kommen für die Anwendung in Betracht.
Sämtliche Halbbrückenschaltungen sind an einem Anschluss über die erste Stromschiene 4 mit einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators 2 elektrisch verbunden und an einem anderen Anschluss über die zweite Stromschiene 5 mit einem weiteren Anschluss des Zwischenkreiskondensators 2 elektrisch verbun den. Jeweilige Knotenpunkte der Halbbrückenschaltungen können jeweils über eine Wechselspannungsleitung mit beispielsweise einem Phasenanschluss einer elektrischen Maschine elektrisch verbunden werden.
Die Leistungshalbleiter der Halbbrückenschaltungen werden über eine Steuerein heit angesteuert.
Im elektrischen Betrieb weisen die beiden Stromschienen, nämlich die erste Stromschiene 4 und die zweite Stromschiene 5, zueinander ein unterschiedliches Potential P+, P- auf. Die Stromschienen 4, 5 sind derart ausgebildet, dass sie bereichsweise flächig parallel geführt sind und lediglich im Bereich in welchem die Verbindung zu dem Leistungsmodul 3 gesetzt ist, nebeneinander angeordnet sind. Dabei sind die Stromschienen 4, 5 erfindungsgemäß entlang einer Anschlussebene 7 angeordnet und auf einer Anschlussseite 8 der Anschlussebene 7 mit dem zweiphasigen Gleichspannungseingang des Leistungsmoduls 3 elektrisch leitend verbunden.
In dem Bereich, in dem die Stromschienen 4, 5 flächig-parallel geführt sind, ist zwischen den Stromschienen 4, 5 ein Isolationsmittel 6 eingebracht. Das Isolati onsmittel 6 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kapton®-Folie ausge bildet. Das Isolationsmittel 6 hat die Aufgabe die beiden Stromschienen 4, 5 ge geneinander elektrisch zu isolieren.
Bezuqszeichenliste
1 Leistungselektronische Schaltung
2 Zwischenkreiskondensator
3 Leistungsmodul
4 Erste Stromschiene
5 Zweite Stromschiene
6 Isolationsmittel
7 Anschlussebene
8 Anschlussseite
P+, P- Potential (der Stromschiene)
S Schnittebene

Claims

Patentansprüche
1. Leistungselektronische Schaltung (1 ) für einen Inverter umfassend zumin dest einen Zwischenkreiskondensator (2) sowie zumindest ein Leistungs modul (3) mit zumindest einem Leistungshalbleiter, wobei der Zwischen kreiskondensator (2) über zumindest zwei Stromschienen (4, 5) mit dem Leistungshalbleiter des Leistungsmoduls (3) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (4, 5) derart ausgebildet sind, dass sie bereichsweise flächig-parallel geführt sind und lediglich im Bereich in welchem die Verbindung zu dem Leistungshalbleiter des Leis tungsmoduls (3) gesetzt ist, entlang einer Anschlussebene (7) des Leis tungsmoduls (3) nebeneinander und auf einer gleichen Anschlussseite (8) der Anschlussebene (7) angeordnet sind, wobei die Stromschienen (4, 5) mindestens abschnittsweise flächig-parallel zueinander entlang der An schlussebene (7) geführt sind, und wobei zumindest in dem Bereich in dem die Stromschienen (4, 5) flächig-parallel geführt sind zwischen den Strom schienen (4, 5) ein Isolationsmittel (6) angeordnet ist.
2. Leistungselektronische Schaltung (1 ) nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Isolations mittel (6) als Folie ausgebildet ist.
3. Leistungselektronische Schaltung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Leis tungsmodul (3) zumindest eine Halbbrückenschaltung umfasst, wobei die Halbbrückenschaltung zwei Leistungshalbleiter aufweist.
PCT/EP2022/065406 2021-06-16 2022-06-07 Niederinduktive verschienung zwischen halbbrückemodul und zwischenkreis WO2022263233A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0166968A1 (de) 1984-06-01 1986-01-08 Anton Piller GmbH & Co. KG Halbleiter-Modul für eine schnelle Schaltanordnung
DE102015224422A1 (de) * 2015-12-07 2017-06-08 Robert Bosch Gmbh Elektronische Schaltungseinheit
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RUJAS ALEJANDRO ET AL: "Gate driver for high power SiC modules: design considerations, development and experimental validation", IET POWER ELECTRONICS, IET, UK, vol. 11, no. 6, 29 May 2018 (2018-05-29), pages 977 - 983, XP006067364, ISSN: 1755-4535, DOI: 10.1049/IET-PEL.2017.0535 *

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