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Title:
POWER ELECTRONICS CIRCUIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/041831
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a power electronics circuit having at least one load connection (LA) and at least one current-critical semiconductor power component (N). The power electronics circuit has one or more IGBT power components, and an IGBT power component (B) is always arranged in each current path having a load connection and having a current-critical semiconductor power component.

Inventors:
TANNHÄUSER, Marvin (Neue Straße 39, Möhrendorf, 91096, DE)
Application Number:
EP2017/071663
Publication Date:
March 08, 2018
Filing Date:
August 29, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H03K17/081; H03K17/567
Foreign References:
EP2824838A12015-01-14
EP2816729A12014-12-24
Other References:
ARENDT WINTRICH; ULRICH NICOLAI; TOBIAS REINMANN; WERNER TURSKEY: "Applikationshandbuch Leistungshalbleiter", 2010, VERLAG ISLE
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Claims:
Patentansprüche

1. Leistungselektronikschaltung mit mindestens einem Lastanschluss (LA) und mindestens einem stromkritischen Halblei- ter-Leistungsbauteil (N) , bei welcher die Leistungselektro¬ nikschaltung ein oder mehrere IGBT-Leistungsbauteil/e auf¬ weist und in jedem Strompfad mit Lastanschluss und stromkri¬ tischen Halbleiter-Leistungsbauteil stets ein IGBT- Leistungsbauteil (B) angeordnet ist.

2. Leistungselektronikschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Teil mit der Topologie (T) eines Pha¬ senschenkels eines Wechselrichters aufweist, wobei der Pha- senanschluss den (LA) oder zumindest einen der Lastanschlüsse bildet oder mit diesem elektrisch leitend verbunden ist.

3. Leistungselektronikschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher das zumindest eine oder die stromkriti¬ sche/n Halbleiter-Leistungsbauteile (N) an einer Gleichspan- nungsseite (G) des Phasenschenkels angebunden ist/sind.

4. Leistungselektronikschaltung nach Anspruch 2, bei welcher das zumindest eine oder die stromkritische/n Halbleiter- Leistungsbauteile (N) an einer Lastseite des Phasenschenkels angebunden ist/sind.

5. Leistungselektronikschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das oder die stromkritische/n Halblei- ter-Leistungsbauteil/e (N) WBG-Leistungsbauteil/e und/oder HEMT-Leistungsbauteil/e, insbesondere GaN-HEMT- Leistungsbauteil/e ist oder sind.

Description:
Beschreibung

Leistungselektronikschaltung Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikschaltung.

Typischerweise ist bei Leistungselektronikschaltungen eine Last an Leistungshalbleiterbauteile angeschlossen. Ein Beispiel zeigt Fig. 1: Hier ist eine Last L mittels zwei ¬ er Leistungshalbleiterbauteile, im gezeigten Ausführungsbei ¬ spiel mittels zweier Galliumnitrid-Leistungsbauteile

(Galliumnitrid = GaN) , an einen Gleichspannungszwischenkreis G elektrisch angeschlossen.

Im Fehlerfall der angeschlossenen Last L, insbesondere bei einem Kurzschluss, entsteht ein Kurzschlussstrom I sc , welcher sehr viel größer ist als ein Ausgangsstrom I out im Normalbetrieb. Die Leistungshalbleiterbauteile stehen somit stets in Gefahr, bei einem Fehlerfall der Last L zerstört zu werden.

Grundsätzlich ist es bekannt, Leistungselektronikschaltungen im Fehlerfall rasch abzuschalten. Dies ist jedoch nicht immer einfach oder zuverlässig möglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leistungselektronikschaltung bereitzustellen, welche zerstörungssicher und zugleich leistungsfähig ausbildbar ist. Diese Aufgabe wird mit einer Leistungselektronikschaltung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung .

Die erfindungsgemäße Leistungselektronikschaltung weist mindestens einen Lastanschluss und mindestens ein stromkriti ¬ sches Halbleiter-Leistungsbauteil auf. Dabei weist die Leis- tungselektronikschaltung ein oder mehrere IGBT- Leistungsbauteil/e auf und es ist in jedem Strompfad mit ei ¬ nem Lastanschluss und einem stromkritischen Halbleiter- Leistungsbauteil ein IGBT-Leistungsbauteil angeordnet. Zweck- mäßig ist die Leistungselektronikschaltung nichttrivial auf ¬ gebaut, d.h. es sind zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei und insbesondere zumindest vier Strompfade mit einem Lastanschluss und mindestens einem stromkritischen Halblei ¬ ter-Leistungsbauteil vorhanden. Zweckmäßig sind mehr als ein stromkritisches Halbleiter-Leistungsbauteil vorhanden, vor ¬ zugsweise mindestens zwei, mindesten drei oder mindestens vier .

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass IGBT- Leistungsbauteile als strombegrenzende Bauteile dienen kön ¬ nen, etwa im Falle eines Kurzschlussstroms. IGBT- Leistungsbauteile weisen einen sogenannten „aktiven Bereich" auf, welcher auch „Entsättigungsbereich" genannt wird (s. beispielsweise Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Tobias

Reinmann, Werner Turskey, Applikationshandbuch Leistungshalbleiter, Nürnberg: Verlag ISLE, Betriebsstätte des ISLE e.V., 2010 (ISBN: 978-3-938843-85-7)).

Kurzfristig kann ein IGBT-Leistungsbauteil in diesem

Entsättigungsbereich betrieben werden, ohne dass die entstehende Verlustleistung das IGBT-Leistungsbauteil zerstört. Ein solcher Betrieb wäre mit einem GaN-HEMT-Leistungsbauteil al ¬ lein nicht möglich. Unter einem stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteil ist insbesondere ein Leistungsbauteil zu verstehen, welches ein GaN-Leistungsbauteil , vorzugsweise ein GaN-HEMT- Leistungsbauteil, und/oder kein IGBT-Leistungsbauteil ist. Durch die Kombination der Eigenschaften der stromkritischen

Halbleiter-Leistungsbauteile mit IGBT-Leistungsbauteilen las ¬ sen sich solche stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteile einsetzen und es ist gleichzeitig eine Kurzschlussfestigkeit der Leistungselektronikschaltung gewährleistet.

Vorteilhaft wird die Kombination der Eigenschaften der strom- kritischen Halbleiter-Leistungsbauteile mit jenen von IGBT- Leistungsbauteilen allein durch den Schaltungsaufbau selbst bewerkstelligt. Zusätzliche Hard- oder Software ist nicht er ¬ forderlich. Folglich ist die Implementierung der erfindungsgemäßen Lösung einfach und kostengünstig.

Geeigneterweise bilden die Halbleiter-Leistungsbauteile Tran ¬ sistoren .

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Leistungselektronikschaltung zumindest einen Teil mit der To- pologie eines Phasenschenkels eines Wechselrichters auf. Da ¬ bei bildet der Phasenanschluss den oder zumindest einen der Lastanschlüsse oder ist mit diesem/diesen elektrisch leitend verbunden .

Gerade bei der Topologie eines Phasenschenkels ist es mög ¬ lich, zwei unterschiedliche Arten von Leistungsbauteilen in jeden Strompfad der Topologie, in welchem der Lastanschluss liegt, zu kombinieren, da in jedem solchen Strompfad stets zwei Leistungsbauteile befindlich sind. Im Gegensatz dazu be ¬ findet sich etwa bei einer klassischen Halbbrücke lediglich ein einziges Leistungsbauteil im Strompfad.

Zweckmäßig sind/ist bei der erfindungsgemäßen Leistungselekt- ronikschaltung mit einer solchen Topologie das zumindest eine oder die stromkritische/n Halbleiter-Leistungsbauteile an ei ¬ ner Gleichspannungsseite des Phasenschenkels angeordnet.

Alternativ und ebenfalls zweckmäßig ist/sind bei der erfin- dungsgemäßen Leistungselektronikschaltung das zumindest eine oder die stromkritische/n Halbleiter-Leistungsbauteile an ei ¬ ner Lastseite des Phasenschenkels angeordnet. Vorteilhaft ist/sind bei der erfindungsgemäßen Leistungs ¬ elektronikschaltung das oder die stromkritische/n Halbleiter- Leistungsbauteil/e WBG-Leistungsbauteil/e und/oder HEMT- Leistungsbauteil/e, insbesondere GaN-HEMT-Leistungsbauteil/e .

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei ¬ gen : Figur 1 eine bekannte Leistungselektronikschaltung gemäß dem Stand der Technik und

Figur 2 eine erfindungsgemäße Leistungselektronikschaltung. Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Leistungselektro ¬ nikschaltung umfasst einen Schaltungsteil T mit einer Topolo- gie eines Phasenschenkels eins Umrichters. Der Phasenschenkel weist eine Gleichspannungsseite G und einen Phasenanschluss auf, welcher einen Lastanschluss LA der Leistungselektronik- Schaltung bildet.

Die Leistungselektronikschaltung umfasst mehrere stromkriti ¬ sche Halbleiter-Leistungsbauteile N, welche im gezeigten Aus ¬ führungsbeispiel als GaN-HEMT-Bauteile ausgebildet sind (GaN = Galliumnitrid; HEMT = engl.: „High-electron-mobility tran- sistor") .

Die stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteile N sind sämt ¬ lich an der Gleichspannungsseite G des Schaltungsteils T an- geordnet und verschaltet. Die stromkritischen Halbleiter- Leistungsbauteile N sind stets über IGBT-Leistungsbauteile B an den Lastanschluss LA angebunden. Auf diese Weise schützen die IGBT-Leistungsbauteile B in jedem Strompfad die stromkri ¬ tischen Halbleiter-Leistungsbauteile N.

Grundsätzlich können in weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem gezeigten entsprechen, die Halbleiter- Leistungsbauteile N und die IGBT-Leistungsbauteile B ihre Rollen tauschen.