Stromrichter

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungselektronik für teils oder ganz elektrifizierte Fahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Stromrichter, beispielsweise einen Wechselrichter oder einen Gleichrichter, der zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug dient.

Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Wechselrichter (Inverter) geschaltet.

Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, nämlich entweder als diskrete Einzelschalter mit einem geringen Integrationsgrad, jedoch hoher Skalierbarkeit, als Leistungsmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalierbarkeit, sowie als Halbbrücken, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Leistungsmodulen rangieren. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside-Schaltposition (nachfolgend: "Highside") mit einem höheren elektrischen Potential und eine Lowside-Schaltposition (nachfolgend: "Lowside") mit einem niedrigeren elektrischen Potential. Die Highside und die Lowside können jeweils einen oder mehrere Einzelschalter/Halbleiterschaltelemente umfassen, die parallelgeschaltet sind. Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente kann dann durch eine Strom- oder Spannungsbeaufschlagung der Halbleiterschaltelemente diese ström leitend bzw. stromsperrend geschaltet werden. Vorzugsweise werden auf diese Weise die Halbleiterschaltelemente gemäß einer Pulsbreitenmodulation (Engi.: Pulse-Width-Modula- tion, PWM) geschaltet, um einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf der Phasenströme zu ermöglichen. Auf diese Weise kann ein eingangsseitiger Gleichstrom in einen mehrphasigen Ausgangsstrom (Wechselstrom) mit mehreren Phasenströmen umgewandelt werden, mit dem ein Elektroantrieb (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs bzw. Hybridfahrzeugs bestromt wird.

In Stromrichtersystemen sind bekannterweise parasitäre Elemente vorhanden. Sie können in Form von parasitären Kapazitäten zwischen einem Steueranschluss (Gate- Anschluss) und einem gesteuerten Anschluss (Drain-Anschluss) der Halbleiterschaltelemente (etwa IGBT oder MOSFET) existieren. Im Speziellen kann in der Brücken- Konfiguration während hoher negativer Anstiegszeiten (Slewrates) der Drain-Source- Spannung eines Halbleiterschaltelementes (bspw. auf der Highside) ein Stromfluss in Richtung des Steueranschlusses des komplementären Halbleiterschaltelementes (bspw. auf der Lowside) auftreten. Der Stromfluss wird durch die sogenannte Miller- Kapazität zwischen dem Bezugspotentialanschluss (Source-Anschluss) und dem gesteuerten Anschluss (Drain-Anschluss) verursacht. Deshalb ist dieser Stromfluss auch als "Millerstrom" bekannt. Die Stromstärke des Millerstroms hängt sowohl von der Größe der Miller-Kapazität als auch von der Höhe bzw. Steilheit (zeitlichen Ableitung) der Spannungsänderung der Drain-Source-Spannung am komplementären Halbleiterschaltelement ab.

In Folge dessen tritt eine Spannungsspitze ("Miller Spike") am Gate des komplementären Halbleiterschaltelements auf, die durch den Spannungsabfall entlang des Strompfads des Millerstroms verursacht wird. Der Spannungsabfall nimmt mit der Impedanz dieses Strompfads zu. Wenn diese Spannungsspitze eine bestimmte Spannungsschwelle des betroffenen Halbleiterschaltelements erreicht, kann es zu einem ungewollten Einschalten (sogenannter "Miller Turn On") kommen, was wiederum zu einem Brückenkurzschluss zwischen der Highside und der Lowside und der Zerstörung der Halbleiterschaltelemente führt. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Klemmschaltung bereitzustellen, bei der die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Klemmschaltung, den Stromrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.

Die Erfindung betrifft eine Klemmschaltung für einen Stromrichter zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Der Stromrichter dient zum Einspeisen eines Eingangsstroms und zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom.

Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter). Im Fall des Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Span- nungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Alternativ kann der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter (Konverter) sein. Im Fall des Gleichrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle (etwa einer Ladestation oder einer Fahrzeugbatterie/Brennstoffzelle) bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Aus- gangsstrom (etwa einen Ladestrom zum Aufladen einer Hochvolt-Fahrzeugbatterie) handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.

Der Stromrichter umfasst mehrere (beispielsweise drei) Phaseneinheiten, wobei jede Phaseneinheit einem Phasenstrom zugeordnet bzw. zum Erzeugen des zugehörigen Phasenstroms ausgebildet ist. Die Phaseneinheiten umfassen jeweils ein oder mehrere Leistungsmodule, die jeweils mehrere Halbleiterschaltelemente aufweisen, die beispielsweise als Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs ausgelegt sind. Als den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegendes Material wird vorzugsweise ein sogenannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Engl. Wide Bandgap Semiconductors, WBS) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet. Die Leistungsmodule sind beispielsweise als Halbbrückenmodule ausgebildet. In jedem Halbbrückenmodul sind eine Modulhighside und eine Modullowside ausgebildet, die jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. Alternativ kann das bzw. können die parallelgeschalteten Halbleiterschaltelemente 12 in einem Leistungsmodul angeordnet sein, welches nicht als Halbbrückenmodul ausgebildet ist, wobei die Halbleiterschaltelemente 12 extern zu einer Halbbrücke oder einem Multilevelsystem (beispielsweise Zweilevel oder Mehrlevel) verschaltet werden können.

Im Fall, dass eine Phaseneinheit ein einziges Halbbrückenmodul umfasst, bildet dessen Modulhighside eine Highside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit, wobei dessen Modullowside eine Lowside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit bildet. Im Fall, dass eine Phaseneinheit mehrere Halbbrückenmodule umfasst, bilden deren Modulhighsides durch Parallelschaltung eine Highside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit, wobei deren Modullowsides durch Parallelschaltung eine Lowside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit bilden.

An jedem Halbbrückenmodul sind mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms und zum Entnehmen des Ausgangsstroms ausgebildet. Zusätzlich sind an jedem Halbbrückenmodul mehrere Signalpins zum Übertragen von Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente angeordnet. Die in jedem Halbbrückenmodul verschalteten Halbleiterschaltelemente, Leistungsanschlüsse sowie Signalpins bilden eine Modulschaltung. Vorzugsweise bildet die Gesamtheit der in jedem Halbbrückenmodul verschalteten elektronischen Bauteile die Modulschaltung. Die Halbbrückenmodule sind vorzugsweise jeweils mit einer ström isolierenden Verkleidung (etwa mittels Umspritzens mit einem Spritzgussmaterial) umschlossen, sodass nur die Leistungsanschlüsse und die Signalpins aus der Verkleidung herausragen und von außen kontaktierbar sind.

Der Stromrichter umfasst auch einen Treiberbaustein, der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen umfasst, mit denen typischerweise eine Leiterplatte bzw. eine Platine bestückt ist. Die elektronischen Bauteile dienen dazu, Steuersignale zu generieren und an einen Steueranschluss (Gate-Anschluss) der jeweiligen Halbleiterschaltelemente zu übertragen, um Schaltvorgänge bei den Halbleiterschaltelementen zwischen dem sperrenden Zustand und dem leitenden Zustand zu ermöglichen.

Eine Klemmschaltung ("Active Miller Clamping"-Schaltung oder AMC-Schaltung) ist im Stromrichter angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Steueranschluss bzw. Gate- Anschluss eines Halbleiterschaltelementes mit einem Bezugspotentialanschluss bzw. Source-Anschluss des Halbleiterschaltelementes kurzzuschließen (bzw. zu "klemmen"). Die Klemmschaltung umfasst einen Klemmschalter, der zwischen dem Steueranschluss und dem Bezugspotentialanschluss des betroffenen Halbleiterschaltelementes verschaltet ist. Der Klemmschalter ist vorzugsweise als Transistor, insbesondere MOSFET, beispielsweise als n-MOSFET ausgebildet. In diesem Fall umfasst der Klemmschalter einen Klemmschaltanschluss (Gate-Anschluss) zum Einprägen eines Klemmschaltsignals und einen pluspoligen sowie einen minuspoligen Stromanschluss (Drain- und Source-Anschluss). Das Klemmschaltsignal wird von einer dem Klemmschalter zugehörigen Steuereinheit, die vorzugsweise im Treiberbaustein integriert ist, bereitgestellt. Durch gezieltes Ansteuern des Klemmschalters wird das Active Miller Clamping (AMC) vorzugsweise nur während den Schaltflanken des komplementären Schalters (Highside oder Lowside) aktiviert. Das AMC ermöglicht einen zusätzlichen Strompfad, der den Millerstrom in Richtung des Bezugspotentialanschlusses leitet, um hierdurch den vorstehend beschriebenen Spannungsspitzen bzw. Miller-Spikes entgegenzuwirken.

Erfindungsgemäß ist die Klemmschaltung in einem das betroffenen Halbleiterschaltelement umfassenden Halbbrückenmodul angeordnet. Dies bedeutet, dass die Klemmschaltung ein integrales Teil der diesem Halbbrückenmodul entsprechenden Modulschaltung ist. Auf diese Weise ist die Länge des Strompfades des Millerstroms verringert, sodass die mit dem Strompfad des Millerstroms einhergehende Impedanz reduziert ist. Hierdurch können die Miller-Spikes zusätzlich unterdrückt werden. Auf diese Weise können die Halbleiterschaltelemente ihre maximale Schaltgeschwindigkeit entfalten, sodass der Stromrichter bzw. Inverter auch für höhere Leistungsklassen mit höhere Anforderungen an schnelles Schalten geeignet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist ein erster Signalpin des Halbbrückenmoduls dem Klemmschalter zugeordnet, um ein von einer vom Halbbrückenmodul räumlich getrennten Steuereinheit erzeugtes Klemmschaltsignal an den Klemmschalter zu übertragen. Der erste Signalpin kann zusammen mit den anderen dem betroffenen Halbleiterschaltelement zugeordneten Signalpins beispielsweise mittels eines Leiterrahmens bereitgestellt werden. Daher ist kein separater Herstellungsschritt zwecks Bereitstellung des Signalpins für den Klemmschalter mehr erforderlich. Der Stromrichter lässt sich hierdurch mit reduziertem Aufwand herstellen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der erste Signalpin von einem Klemmschaltanschluss des Klemmschalters bis zur Steuereinheit. Der Klemmschalter ist somit auf einer dem betroffenen Halbleiterschaltelement zugewandten Seite des ersten Signalpins angeordnet. Dies reduziert die Länge des Strompfades des Miller- stroms, sodass die Miller-Spikes zusätzlich unterdrückt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit im Treiberbaustein integriert, wobei der Treiberbaustein vom Halbbrückenmodul getrennt und beabstandet ist. Auf diese Weise ist die Komplexität und Herstellungskosten des Stromrichters reduziert. Zusätzlich ist eine Parallelisierung mehrerer Halbbrückenmodule mit einem einzigen Treiberbaustein hierdurch erlaubt. Auch kann die Steuereinheit bereits bei der Herstellung des Treiberbausteins berücksichtigt und bereitgestellt werden. Ein separater Herstellungsschritt für die Steuereinheit kann daher entfallen, sodass der Stromrichter herstellungsgünstiger ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Halbbrückenmodul mittels eines ström isolierenden Materials verkleidet, wobei sich die Signalpins des Halbbrückenmoduls über eine Oberfläche der Verkleidung hinauserstrecken, wobei die Klemmschaltung im Inneren der Verkleidung angeordnet ist. Diese Maßnahme bewerkstelligt eine sichere Aufnahme der Klemmschaltung im Halbbrückenmodul und eine vollständigere Integration der Klemmschaltung, sodass Letztere vor Umgebungseinflüssen bessert geschützt ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Klemmschaltung zusätzlich einen Kondensator auf, der zwischen dem Klemmschalter und dem Steueranschluss oder dem Bezugspotentialanschluss des zugehörigen Halbleiterschaltelementes angeordnet ist.

Im Fall, dass der Kondensator zwischen dem Klemmschalter und dem Steueranschluss des zugehörigen Halbleiterschaltelementes angeordnet ist, ist ein zweiter Signalpin modulseitig sowohl mit dem Kondensator als auch mit dem Steueranschluss des zugehörigen Halbleiterschaltelementes verbunden, wobei ein dritter Signalpin modulseitig sowohl mit einem minuspoligen Stromanschluss des Klemmschalters als auch mit dem Bezugspotentialanschluss des zugehörigen Halbleiterschaltelementes verbunden ist, wobei der erste Signalpin von den drei Signalpins als einziger Signalpin ausschließlich dem Klemmschalter zugeordnet ist, wobei im Klemmschalter eine Diode (als ''Body-Diode'' bezeichnet) intrinsisch verbaut ist. Diese Anordnung des Kondensators relativ zum Klemmschalter ist dahingehend vorteilhaft, dass für das Halbleiterschaltelement und den Klemmschalter insgesamt nur drei Signalpins benötigt werden, wobei zusätzlich zu den dem Halbleiterschaltelement zugeordneten Signalpins nur ein einziger Signalpin für den Klemmschalter erforderlich ist.

Im Fall, dass der Kondensator zwischen dem Klemmschalter und dem Bezugspotentialanschluss des zugehörigen Halbleiterschalteelementes angeordnet ist, ist ein Signalpinmodulseitig sowohl mit einem pluspoligen Stromanschluss des Klemmschalters als auch mit dem Steueranschluss des zugehörigen Halbleiterschaltelementes verbunden, wobei ein weiterer Signalpin modulseitig sowohl mit einem minuspoligen Stromanschluss des Klemmschalters als auch mit dem Kondensator verbunden ist, wobei ein noch weiterer Signalpin modulseitig sowohl mit dem Kondensator als auch mit dem Bezugspotentialanschluss des zugehörigen Halbleiterschaltelementes verbunden ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Halbbrückenmodul, dass eine solche Klemmschaltung umfasst, sowie einen Stromrichter (Wechselrichter oder Gleichrichter) mit mehreren derartigen Halbbrückenmodulen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Klemmschaltung beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches, stark vereinfachtes Schaltbild mit einer Modulschaltung eines Halbbrückenmoduls, einem Treiberbaustein und einer in der Modulschaltung integrierten Klemmschaltung;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild mit einer Modulschaltung des Halbbrückenmoduls, dem Treiberbaustein und einer in der Modulschaltung integrierten Klemmschaltung gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Halbbrückenmoduls aus Fig. 2;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild mit einer Modulschaltung des Halbbrückenmoduls, dem Treiberbaustein und einer in der Modulschaltung integrierten Klemmschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Halbbrückenmoduls aus Fig. 4.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug. Im Betrieb wird ein Eingangsstrom in den Stromrichter eingespeist, aus dem ein Ausgangsstrom erzeugt wird. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter). Im Fall des Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC- Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Alternativ kann der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter (Konverter) sein. Im Fall des Gleichrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle (etwa einer Ladestation oder einer Fahrzeugbatterie/Brennstoffzelle) bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom (etwa einen Ladestrom zum Aufladen einer Hochvolt-Fahrzeugbatterie) handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.

Der Stromrichter umfasst mehrere (beispielsweise drei) Phaseneinheiten, wobei jede Phaseneinheit einem Phasenstrom zugeordnet bzw. zum Erzeugen des zugehörigen Phasenstroms ausgebildet ist. Die Phaseneinheiten umfassen jeweils ein oder mehrere Leistungsmodule 10,10A-B (siehe Fig. 1 -3), die jeweils mehrere Halbleiterschaltelemente 12 aufweisen, die beispielsweise als Transistoren wie MOSFETs, HEMTs oder IGBTs ausgelegt sind. Als den Halbleiterschaltelementen 12 zugrunde liegendes Material wird vorzugsweise ein sogenannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Engi. Wide Bandgap Semiconductors, WBS) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet.

Die Leistungsmodule 10, 10A-B können als Halbbrückenmodule ausgebildet sein. In jedem Halbbrückenmodul 10,10A-B sind eine Modulhighside und eine Modullowside ausgebildet, die jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente 12 umfassen. Alternativ kann das bzw. können die parallelgeschalteten Halbleiterschaltelemente 12 in einem Leistungsmodul angeordnet sein, welches nicht als Halbbrückenmodul ausgebildet ist, wobei die Halbleiterschaltelemente 12 extern zu einer Halbbrücke oder einem Multilevelsystem verschaltet werden können. Im Fall, dass eine Phaseneinheit ein einziges Halbbrückenmodul 10,10A-B umfasst, bildet dessen Modulhighside eine Highside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit, wobei dessen Modullowside eine Lowside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit bildet. Im Fall, dass eine Phaseneinheit mehrere Halbbrückenmodule 10,10A-B umfasst, bilden deren Modulhighsides durch Parallelschaltung eine Highside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit, wobei deren Modullowsides durch Parallelschaltung eine Lowside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit bilden.

An jedem Halbbrückenmodul 10,10A-B sind mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms und zum Entnehmen des Ausgangsstroms ausgebildet. Zusätzlich sind an jedem Halbbrückenmodul 10,10A-B mehrere Signalpins 16a-g zum Übertragen von Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente 12 angeordnet. Die in jedem Halbbrückenmodul 10,10A-B verschalteten Halbleiterschaltelemente 12, Leistungsanschlüsse sowie Signalpins 16a-g bilden eine Modulschaltung 11 . Vorzugsweise bildet die Gesamtheit der in jedem Halbbrückenmodul 10, 10A-B verschalteten elektronischen Bauteile die Modulschaltung 11. Die Halbbrückenmodule 10,10A-B sind vorzugsweise jeweils mit einer stromisolierenden Verkleidung (etwa mittels Umspritzens mit einem Spritzgussmaterial) umschlossen, sodass nur die Leistungsanschlüsse und die Signalpins 16a-g aus der Verkleidung herausragen und von außen kontaktierbar sind.

Der Stromrichter umfasst auch einen Treiberbaustein 18, der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen umfasst, mit denen typischerweise eine Leiterplatte bzw. eine Platine bestückt ist. Die elektronischen Bauteile dienen dazu, Steuersignale zu generieren und an einen Steueranschluss 122 (Gate-Anschluss) der jeweiligen Halbleiterschaltelemente 12 zu übertragen, um Schaltvorgänge bei den Halbleiterschaltelementen 12 zwischen dem sperrenden Zustand und dem leitenden Zustand zu ermöglichen.

Fig. 1 zeigt ein schematisches und stark vereinfachtes Schaltbild mit einer Modulschaltung 11 eines Halbbrückenmoduls 10, einem Treiberbaustein 18 sowie einer in der Modulschaltung 11 schaltungstechnisch integrierten Klemmschaltung 14. Die Klemmschaltung 14 ('Active Miller Clamping"-Schaltung oder AMC-Schaltung) ist dazu aus- gebildet, den Steueranschluss 122 bzw. Gate-Anschluss eines Halbleiterschaltelementes 12 mit einem Bezugspotentialanschluss 126 bzw. Source-Anschluss desselben Halbleiterschaltelementes 12 kurzzuschließen (bzw. zu "klemmen''). Erfindungsgemäß ist die Klemmschaltung 12 im das betroffenen Halbleiterschaltelement 12 umfassenden Halbbrückenmodul 10 angeordnet. Dies bedeutet, dass die Klemmschaltung 14 ein integrales Teil der diesem Halbbrückenmodul 10 entsprechenden Modulschaltung 11 ist. Auf diese Weise ist die Länge des Strompfades des Millerstroms verringert, sodass die mit dem Strompfad des Millerstroms einhergehende Impedanz reduziert ist. Hierdurch können die Miller-Spikes zusätzlich unterdrückt werden. Auf diese Weise können die Halbleiterschaltelemente 12 ihre maximale Schaltgeschwindigkeit entfalten, sodass der Stromrichter bzw. Inverter auch für höhere Leistungsklassen mit höheren Anforderungen an schnelles Schalten geeignet ist.

Der Treiberbaustein 18 umfasst eine erste Steuereinheit 182 zum Ansteuern des im Halbbrückenmodul 10 verbauten Halbleiterschaltelementes 12. Die Klemmschaltung 14 wird mittels eines Klemmschaltsignals, welches durch eine zweite Steuereinheit 184, die wie in Fig. 1 gezeigt vorzugsweise im Treiberbaustein 18 integriert ist, erzeugt ist, geschaltet.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild mit einer Modulschaltung 11 eines Halbbrückenmoduls 10A, dem Treiberbaustein 18 und einer in der Modulschaltung 11 integrierten Klemmschaltung 14 gemäß einer Ausführungsform. Das Halbbrückenmodul 10A, welches in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist, umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente 12, von denen hier aus Übersichtlichkeitsgründen nur ein Halbleiterschaltelement 12 gezeigt ist. Das Halbleiterschaltelement 12 ist vorzugsweise als Transistor, zum Beispiel MOSFET, HEMT oder IGBT, ausgebildet und weist demnach einen Steueranschluss (Gate-Anschluss) 122, einen gesteuerten Anschluss (Drain-Anschluss bzw. Emitter-Anschluss) 124 und einen Bezugspotentialanschluss (Source-Anschluss bzw. Kollektor-Anschluss) 126. Der gesteuerte Anschluss 124 ist zum Einspeisen des Eingangsstroms (Schaltstroms) ausgebildet, der über das Halbleiterschaltelement 12 fließt. Der Bezugspotentialanschluss 126 ist über einen Signalpin 16c mit der Masse 20 verbunden. Der Steueranschluss 122 ist über einen weiteren Signalpin 16a, der sich bis zu einem Verbindungspunkt 17b erstreckt, mit der ersten Steuereinheit 182 im Treiberbaustein 18 verbunden. Auf diese Weise lassen sich von der ersten Steuereinheit 182 erzeugte Steuersignale zum Ansteuern des Halbleiterschaltelementes 12 ins Letztere einprägen.

Wie in Fig. 2 und 3 ebenfalls schematisch gezeigt, ist in der Modulschaltung 11 eine Klemmschaltung 14 schaltungstechnisch integriert. Die Klemmschaltung 14 umfasst einen Klemmschalter 142 und einen Kondensator 144 auf, der zum Klemmschalter 142 reihengeschaltet ist. Der Klemmschalter 142 ist zwischen dem Steueranschluss 122 und dem Bezugspotentialanschluss 126 des Halbleiterschaltelementes 12 verschaltet. Der Klemmschalter 142 ist vorzugsweise als Transistor, insbesondere MOS- FET, beispielsweise als n-MOSFET ausgebildet. Der Klemmschalter 142 weist einen Klemmschaltanschluss 1422 (Gate-Anschluss) zum Einprägen eines Klemmschaltsignals und einen pluspoligen Stromanschluss 1424 (Drain-Anschluss) sowie einen mi- nuspoligen Stromanschluss 1426 (Source-Anschluss) auf. Der Kondensator 144 ist zwischen dem Steueranschluss 122 des Halbleiterschaltelementes 12 und dem pluspoligen Stromanschluss 1424 des Klemmschalters 142 verschaltet. Das Klemmschaltsignal wird von der dem Klemmschalter 142 zugehörigen zweiten Steuereinheit 184, die wie hier gezeigt vorzugsweise im Treiberbaustein integriert ist, bereitgestellt. Durch gezieltes Ansteuern des Klemmschalters wird das Active Miller Clamping (AMC) vorzugsweise nur während den Schaltflanken des komplementären Schalters in der Halbbrücke aktiviert. Das AMC ermöglicht einen zusätzlichen Strompfad, der den Miller- strom in Richtung des Bezugspotentialanschlusses leitet, um hierdurch den vorstehend beschriebenen Spannungsspitzen bzw. Miller-Spikes entgegenzuwirken. Die zweite Steuereinheit 184 ist über einen weiteren Verbindungspunktes 17c eines Signalpins 16b mit dem Klemmschalter 142 signaltechnisch verbunden.

Eine erste Spannungsversorgung 24 und eine dazu reihengeschaltete zweite Spannungsversorgung 26 sind jeweils über einen Verbindungspunkt 17a, 17d mit der ersten Steuereinheit 182 im Treiberbaustein 18 verbunden, sodass die erste Steuereinheit 182 eine positive Versorgungsspannung VDD der ersten Spannungsversorgung 24 bzw. eine negative Versorgungsspannung VEE der zweiten Spannungsversorgung 26 festlegen kann. Zusätzlich ist ein Kondensator 22 zur zweiten Spannungsversorgung 26 parallelgeschaltet. In dieser Schaltanordnung wird der Kondensator 144 der Klemmschaltung 14 während der Ausschaltphase des Klemmschalters 142 einmalig auf die an der zweiten Spannungsversorgung 26 angelegte negative Versorgungsspannung VEE über eine im Klemmschalter 142 intrinsisch verbaute Diode 1428 geladen. Anschließend wird der Kondensator 144 nachgeladen. Der Kondensator 144 lädt sich bei einer hinreichend langen Ausschaltphase des Klemmschalters 142 vollständig auf die negative Versorgungsspannung VEE auf. Dies ergibt sich zum Einen aus der intrinsischen Diode 1428 (auch als ''Body-Diode'' bezeichnet) im Klemmschalter 142, zum Anderen daraus, dass der Klemmschalter 142 ausschließlich dann aktiviert wird, wenn die erste Steuereinheit 182 des Treiberbausteins 18 das Halbleiterschaltelement 12 sperrt (d.h. wenn der Steueranschluss 122 des Halbleiterschaltelementes 12 auf der negativen Versorgungsspannung VEE liegt. Hierdurch liegt die volle negative Versorgungsspannung VEE am Klemmschalter 142 an.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild mit einer Modulschaltung 11 eines Halbbrückenmoduls 10B, dem Treiberbaustein 18 und einer in der Modulschaltung 11 integrierten Klemmschaltung 14 gemäß einer alternativen Ausführungsform. Das Halbbrückenmodul 10B, welches in Fig. 5 vergrößert dargestellt ist, umfasst wie bei der in Fig. 2-3 gezeigten Ausführungsform mehrere Halbleiterschaltelemente 12, von denen hier aus Übersichtlichkeitsgründen nur ein Halbleiterschaltelement 12 gezeigt ist. Das Halbbrückenmodul 10B ist prinzipiell ähnlich zur in Fig. 2-3 gezeigten Ausführungsform ausgebildet. Der Hauptunterschied hierzu besteht darin, dass die Positionen des Klemmschalters 142 und des Kondensators 144 in der Klemmschaltung 14 gegenüber der in Fig. 2-3 gezeigten Ausführungsform vertauscht sind. Dementsprechend werden anstatt drei hier nunmehr vier Signalpins 16d-g am Halbbrückenmodul 10B verwendet. Den drei Anschlüssen 1422, 1424, 1426 des Klemmschalters 142 ist jeweils ein Signalpin 16d, 16e, 16f zugeordnet, um diese über jeweils einen Verbindungspunkt 17f, 17g, 17h mit den Steuereinheiten 182, 184 signaltechnisch zu verbinden. Dabei ist ein Signalpin 16d gleichzeitig auch dem Steueranschluss 122 des Klemmschalters 12 zugeordnet. Außerdem ist ein weiterer Signalpin 16f gleichzeitig auch einer dem Klemm- schater 142 zugewandten Elektrode des Kondensators 144 zugeordnet. Der Signalpin 16f sorgt dafür, dass die zweite Steuereinheit 184 den Klemmschalter 142 unabhängig von der Höhe der negativen Versorgungsspannung VEE ansteuern kann. Der vom Klemmschalter 142 abgewandten Elektrode des Kondensaotrs 144 und dem Be- zugspotentialanschluss 126 des Halbleiterschaltelementes 12 ist ein zusätzlicher gemeinsamer Signalpin 16g zugeordnet, über den der Kondensaotr 144 und der Be- zugspotentialanschluss 126 des Halbleiterschaltelementes 12 mit der Masse 20 verbunden sind.

Auch bei der in Fig. 4-5 gezeigten Ausführungsform sind zwei Spannungsgeneratoren 24, 26 zur Erzeugung der positiven Versorgungsspannung VDD bzw. der negativen Versorgungsspannung VEE bereitgestellt, wobei ein zusätzlicher Kondensator 22 zum zweiten Spannungsgenerator 26 parallelgeschaltet ist.

Bezugszeichen

10, 10A, 10B Leistungsmodul/Halbbrückenmodul

11 Modulschaltung

12 Halbleiterschaltelement

122 Steueranschluss

124 gesteuerter Anschluss

126 Bezugpotentialanschluss

14 Klemmschaltung

142 Klemmschalter

1422 Klemmschaltanschluss

1424 pluspoliger Anschluss

1426 minuspoliger Anschluss

1428 intrinsische Diode

16a-g Signalpins

17a-h Verbindungspunkte

18 Treiberbaustein

182 erste Steuereinheit

184 zweite Steuereinheit

20 Masse

22 Kondensator

24 erste Spannungsversorgung

26 zweite Spannungsversorgung