Titel

Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen

Last

Die Erfindung geht aus von einer Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last nach Gattung des unabhängigen Pa tentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine korres pondierende Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit einer solchen Leistungsendstufe.

Dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren werden in der Regel von einer Leistungsendstufe, welche vorzugsweise als B6-Inverter auf Basis von Silizium- Leistungshalbleitern ausgeführt ist, vorzugsweise mit einer feldorientierten Rege lung angesteuert. Um die elektrische Last, hier den Gleichstrommotor, anzusteu ern, wird neben den eigentlichen Halbleiterleistungsschaltern ein Brückentreiber eingesetzt, welcher die Halbleiterleistungsschalter ein- und ausschaltet. Typi scherweise geschieht das bei Kleinmotoren mit einer Spannung von unter 60V und einer Leistung von unter 3kW mit einer Frequenz von ca. 20 kHz. Aufgrund von Schaltverlusten sollte die Frequenz so niedrig wie möglich aber oberhalb der menschlichen Hörschwelle gewählt werden.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ermöglicht für die Leistungshalbleiterschalter sehr viel höhere Schaltfrequenzen und niedrigere Widerstände pro Fläche als reine Silizium-Halbleiterschalter. Wei terhin ermöglicht die korrespondierende laterale Technologie eine Integration von weiteren aktiven und passiven Elementen auf dem gleichen Siliziumsubstrat, auf dem sich auch die Leistungshalbleiter befinden. Aus der DE 10 2016 113 121 Al ist eine Energieversorgungsvorrichtung be kannt, welche ein Energiemodul und einen Kondensator aufweist. Das Ener giemodul weist invertierende Schaltungen auf und ist dafür ausgestaltet, einer elektrischen Maschine elektrische Energie zuzuführen. Der Kondensator ist dem Energiemodul benachbart angeordnet und dafür eingerichtet, eine Spannungsän derung aufgrund von Wellenstrom an dem Eingang der invertierenden Schaltun gen zu begrenzen. Die invertierenden Schaltungen und der Kondensator sind mit einem monolithischen isolierenden Epoxid umspritzt und durch dieses gekapselt, so dass eine Spannungsisolierung zwischen dem Energiemodul und dem Kon densator bereitgestellt wird.

Aus der DE 10 2015 208 150 Al ist eine gattungsgemäße Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last bekannt. Die Leistungsendstufe umfasst eine Leistungsschaltvorrichtung, welche mindestens eine Halbbrücke umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Tech- nologie ausgeführt ist, und eine Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltvorrich tung. Halbleiterleistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke sind als Gal- lium-Nitrit-Halbleiter auf einer Vorderseite eines Siliziumsubstrats ausgebildet.

Offenbarung der Erfindung

Die Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektri schen Last mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 18 haben jeweils den Vorteil, dass weitere Funktionalitäten zur Ansteuerung der Vorrichtung in einem monolithischen Schal tungsmodul integriert werden können und eine weitere Miniaturisierung ermög licht wird. So können zur Ansteuerung einer beliebigen elektrischen Last bei spielsweise mit Hilfe der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie mehrere Halbbrü cken der Leistungsschaltvorrichtung und die korrespondierenden Treiber für diese Halbbrücken auf ein gemeinsames Trägersubstrat, vorzugsweise ein Silizi umsubstrat, aufgebracht werden. So können beispielsweise drei Halbbrücken ei ner B6-Brücke mit einer korrespondierenden Ansteuerschaltung zur Energiever sorgung eines dreiphasigen Motors auf dem gemeinsamen Trägersubstrat ange ordnet werden. Selbstverständlich kann auch jede andere beliebige Anzahl an für die Versorgung der elektrischen Last erforderlichen Halbbrücken auf dem ge meinsamen Trägersubstrat angeordnet werden. Zusätzlich können Schutzfunkti onalitäten, wie beispielsweise eine Überstromschutzfunktion, Übertemperatur schutzfunktion usw., mit auf das gemeinsame Trägersubstrat aufgebracht wer den.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last, mit einer Leistungsschaltvorrichtung, welche mindestens eine Halbbrücke umfasst und ba sierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie ausgeführt ist, und einer Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltvorrichtung zur Verfügung. Halbleiter leistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke sind als Gallium-Nitrit-Halb- leiter auf einer Vorderseite eines Trägersubstrats ausgebildet. Hierbei sind die Leistungsschaltvorrichtung und die Ansteuerschaltung basierend auf der Gallium- nitrid-auf-Silizium-Technologie als monolithisches Schaltungsmodul ausgeführt, wobei die einzelnen Komponenten des monolithischen Schaltungsmoduls auf ei nem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind.

Zudem wird eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last, mit einer Energieversorgung, einem Steuergerät und einer solchen Leistungsend stufe vorgeschlagen.

Durch die Verschiebung der Ansteuerschaltung, welche auch eine Stromrege lung für die Leistungsschaltvorrichtung ausführen kann, in das monolithische Schaltungsmodul können Ansteuerleitungen entfallen, welche normalerweise zu einer Brückentreiberschaltung geleitet werden müssen und es ist keinerlei Modu lation seitens eines übergeordneten Steuergerätes erforderlich. Alle schnellen Signale und deren Schaltflanken „verlassen“ das monolithische Schaltungsmodul somit nicht. Hierdurch ist zu erwarten, dass das EMV-Verhalten positiv beein flusst wird. Durch die geringe Anzahl an erforderlichen Kontakten ist eine beson ders kompakte Realisierung möglich, da Kontaktpads eine minimale Größe schwer unterschreiten können. Zusätzlich ermöglicht es der vorgeschlagene Auf bau, dass EMV-Störungen reduziert werden können, welche sich durch sprin gende Potentiale an den einzelnen Halbrücken über korrespondierende Koppel kapazitäten mit einem Kühlkörper im System ausbreiten können. Hierzu kann beispielsweise eine Kühlfläche der Leistungsschaltvorrichtung entweder direkt hart auf Masse gelegt werden, falls möglich, oder im monolithischen Schaltungs modul kapazitiv direkt über Koppelkondensatoren definiert mit Masse verbunden werden. Zusätzliche Entstörkondensatoren bzw. Y- Kondensatoren sowie Kontak tierungselemente (z.B. SMD-Federn) werden dadurch überflüssig. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine leitfähige Wärmeleitpaste eingesetzt werden kann; diese sind mit sehr viel höheren Wärmeleitfähigkeiten als isolierende Pas ten erhältlich.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiter bildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentan spruch 1 angegebenen Leistungsendstufe für eine Vorrichtung zur Energiever sorgung einer elektrischen Last und der im unabhängigen Patentanspruch 18 an gegebenen Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass Kondensatoren einer Zwischenkreiskapazität als Silizium- Kondensatoren ausgebildet und auf der Vorderseite und/oder Rückseite des Trägersubstrats angeordnet werden können. Bei einer besonders vorteilhaf ten Ausführungsform werden diese Silizium- Kondensatoren in Deep-Trench- Technologie auf der Rückseite des gemeinsamen Trägersubstrates ausgebildet, um die Versorgungsspannung zu puffern. Durch die hohen möglichen Schaltfre quenzen können die Silizium-Kondensatoren in Deep-Trench-Technologie auch bei Niedervoltinvertern bei einer Spannung von unter 60V für kleinere Leistungen von wenigen Kilowatt zur Darstellung eines Zwischenkreises eingesetzt werden. Durch die Anordnung der als Silizium-Kondensatoren ausgebildeten Zwischen kreiskapazität auf dem gemeinsamen Trägersubstrat ist eine extrem niederinduk tive Anbindung an die Leistungsschaltvorrichtung möglich. So können die Sili zium-Kondensatoren auf der Rückseite des gemeinsamen Trägersubstrats bei spielsweise mittels Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat mit den Halb leiterleistungsschaltern auf der Vorderseite elektrisch kontaktiert werden. Bei ei ner lateralen Anordnung der als Silizium- Kondensatoren ausgebildeten Zwi schenkreiskapazität auf der Vorderseite des gemeinsamen Trägersubstrats ist ebenfalls eine einfache elektrische Kontaktierung möglich. Hierdurch ist ein Auf bau ohne Durchkontaktierungen im Trägersubstrat möglich. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann das monolithi sche Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Bei dieser Ausgestaltung der Leis tungsendstufe können Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität als Silizium- Kondensatoren auf separaten Trägersubstraten angeordnet und wie das monoli thische Schaltungsmodul in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Alternativ können die Kondensato ren der Zwischenkreiskapazität als mehrlagige Keramik- Kondensatoren in Chip- Bauweise (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) ausgebildet und in die mehrla gige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Ansteuer schaltung eine Stromregelung umfassen, welche ausgeführt ist, mindestens ei nen Messstrom, welcher einen korrespondierenden aktuellen Ausgangsstrom re präsentiert, und mindestens einen Referenzstrom als analoges Signal zu emp fangen und miteinander zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs min destens ein korrespondierendes Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben. Hierbei kann der mindestens eine Messstrom vorzugsweise innerhalb des mono lithischen Schaltungsmoduls erfasst werden. Zudem kann die Ansteuerschaltung eine Treiberstufe umfassen, welche ausgeführt ist, das mindestens eine Schalt signal von der Stromregelung zu empfangen, aufzubereiten und an die Leis tungsschaltvorrichtung auszugeben. Durch die hohen Schaltfrequenzen werden andere Regelungsverfahren wie beispielsweise direktschaltende Verfahren mög lich. Daher kann die Stromregelung für jede der Halbbrücken der Leistungs schaltvorrichtung einen Komparator umfassen, welcher ausgeführt ist, die korres pondierende Halbbrücke abzuschalten, wenn der Messstrom den korrespondie renden Referenzstrom überschreitet, und die korrespondierende Halbbrücke an zuschalten, wenn der Messstrom den korrespondierenden Referenzstrom unter schreitet.

Hierdurch wird es möglich, direkt über eine Sollwertvorgabe an die korrespondie renden Komparatoren die Halbleiterleistungsschalter direkt anzusteuern. Bei ei nem dreiphasigen Motor als elektrische Last werden daher nur noch drei analoge Referenzsignale für die Phasenströme an das monolithische Schaltungsmodul gesendet. Die Stromregelung findet mit Hilfe der Komparatoren direkt im monoli thischen Schaltungsmodul statt. Der Referenzwert wird mit dem gemessenen Wert des Phasenstromes verglichen. Wird der Referenzwert überschritten wird ausgeschaltet, bei Unterschreitung wird angeschaltet. Somit stellt sich im Mittel der geforderte Referenzstrom ein. Zur Begrenzung der Schaltfrequenz können die einzelnen Komparatoren gesampelt und/oder mit Hysterese ausgeführt wer den. Das digitale Ausgangssignal der Komparatoren kann dann direkt als Schalt zustandsbefehl für die einzelnen Halbleiterleistungsschalter dienen. Das jeweilige Referenzsignal ist ein analoges Signal, welches direkt den Strom in der elektri schen Last bzw. in den einzelnen Stator-Wicklungen des dreiphasigen Motors vorgibt. Es kann von einem zentralen Steuergerät vorgegeben werden, und ent hält maximal die Maschinenfrequenzen (inklusive explizit eingeprägter Oberwel len). Die Freiheitsgrade für die Ansteuerung der elektrischen Last liegen so wei terhin im Steuergerät, die schnelle Stromdynamik wird jedoch in das monolithi sche Schaltungsmodul verschoben, was die Anforderungen an die Dynamik und Rechenleistung des Steuergerätes deutlich senken und zu einem Kostenvorteil führen kann. Gleichzeitig kann man durch die schnellen Hardware- Komparatoren einen sehr dynamischen Stromregler mit hoher Bandbreite erhalten, welcher sich die erhöhte Aktuator- Band breite, welche durch die Erhöhung der Schaltfrequenz entsteht, auch kostengünstig zu Nutze machen kann. Würde man die Stromrege lung weiterhin im Steuergerät ausführen, wäre für eine Erhöhung der Bandbreite der Stromregelung automatisch ein leistungsfähigeres Steuergerät notwendig, was Mehrkosten verursacht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann das monolithi sche Schaltungsmodul eine elektrische Schnittstelle umfassen, welche ausge führt ist, Signale von externen Komponenten und/oder Baugruppen zu empfan gen. Hierbei kann die elektrische Schnittstelle ein Versorgungsspannungspoten tial, ein Massepotential und den mindestens einen Referenzstrom empfangen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Ansteuer schaltung für die mindestens eine Halbbrücke jeweils ein ARCP-Modul (ARCP: Auxiliary Resonant Commutated Pole) umfassen, welches zwei Hilfsschalter und eine Drosselspule aufweist und ausgeführt ist, die Halbleiterleistungsschalter der korrespondierenden Halbbrücke an einem spannungslosen Schaltzeitpunkt zu schalten. Dadurch kann ein hartes Abschalten mit einem hohen Spannungs sprung vermieden und ein weiches Abschalten an einem quasi spannungslosen Schaltzeitpunkt umgesetzt werden. Hierbei sind zumindest die beiden Hilfsschal ter in das monolithische Schaltungsmodul integriert und mit den Halbleiterleis tungsschaltern der jeweiligen Halbbrücke auf dem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet. Ein großer Vorteil des ARCP-Moduls besteht darin, dass durch den Wegfall der Schaltverluste in der mindestens einen Halbbrücke deren Schaltfre quenz deutlich erhöht werden kann. Dadurch können die passiven Bauelemente, wie beispielsweise die Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität oder ein even tuell vorhandener Sinus- oder Flankenfilter deutlich kleiner und günstiger ausge führt werden. Zudem kann durch die geringere Verlustleistung die Halbleiterflä che reduziert werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe können die beiden Hilfsschalter als Gallium-Nitrit-Halbleiter zu einem bidirektional sperrenden Hilfs schalter zusammengefasst und auf der Vorderseite des Trägersubstrats ausge bildet werden. Durch die Ausführung als bidirektional sperrender Hilfsschalter kann im Vergleich zu einem klassischen ARCP-Modul, bei welchem zwei antipa rallele Schalter als Hilfsschalter eingesetzt werden, die erforderliche Halbleiterflä che halbiert werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Drossel spule kernlos als Leiterbahn im Trägersubstrat ausgebildet werden. Dies wird durch die hohen Schaltfrequenzen ermöglicht. Da keinerlei Kernmaterialien erfor derlich sind, kann ein komplexer Aufbau der Drosselspule vermieden werden. Al ternativ kann die Drosselspule kernlos als Leiterbahn der mehrlagigen Leiter platte der Leistungsendstufe ausgebildet werden. Das bedeutet, dass die Dros selspule wie die Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden kann, in welche das monolithische Schaltungsmodul eingebettet oder auf welcher das monolithische Schaltungsmodul angeordnet ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Ansteuer schaltung ausgeführt sein, den spannungslosen Schaltzeitpunkt durch eine inte- grierte Strommessung und/oder durch eine adaptive Verzögerungskette zu ermit teln. Die Schwierigkeit beim Betrieb der mindestens einen Halbbrücke mit dem ARCP-Modul besteht darin, in dynamischen Arbeitspunkten immer das weiche Schalten zu garantieren. Das bedeutet, dass auch, wenn die Mittenspannung ei nes geteilten Zwischenkreises über viele Parameter, wie beispielsweise Last punkt, Zwischenkreisspannung, Dynamik, Temperatur usw. variiert und sich so mit die „Ladezeit“ der Induktivität verändert, immer sichergestellt werden muss, dass die richtigen Zeitpunkte für das Ein- und Ausschalten der Hilfsschalter „ge troffen“ werden. Dieses Problem kann eliminiert werden, wenn der „richtige“ Zeit punkt gemessen und/oder durch die adaptive Verzögerungskette ermittelt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsendstufe kann die Leistungs schaltvorrichtung beispielsweise als B6-Inverter mit drei Halbbrücken ausgeführt werden. Hierbei kann eine Kühlfläche des B6-Inverters direkt oder über mindes tens einen Koppelkondensator, welcher eine definierte Kapazität aufweist, mit Masse verbunden werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last kann die elektrische Schnittstelle ausgeführt sein, ein Versor gungsspannungspotential und ein Massepotential der Energieversorgung und den mindestens einen Referenzstrom von dem Steuergerät zu empfangen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Energieversorgung ei ner elektrischen Last kann die elektrische Last als dreiphasiger bürstenlosen Gleichstrommotor ausgeführt sein, wobei die Halbbrücken des B6-Inverters je weils mit einer Phase des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors verbind bar sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und wer den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung be zeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Last mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsend stufe.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektri schen Last mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsendstufe.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ansteuerschaltung für eine Halb brücke der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ARCP-Moduls für eine Halbbrü cke der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe aus Fig. 2.

Fig. 5 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung der als monolithi sches Schaltungsmodul ausgeführten Leistungsendstufe aus Fig. 1.

Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbei spiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, 1A, 1B zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3, jeweils eine Energieversorgung 5, ein Steuergerät 7 und eine erfindungsgemäße Leistungsendstufe 10, 10A, 10B.

Wie aus Fig. 1 bis 4 weiter ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausfüh rungsbeispiele der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe 10, 10A, 10B für die Vorrichtung 1, 1A, 1B zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3, jeweils eine Leistungsschaltvorrichtung 12, 12 A, 12 B, welche mindestens eine Halbbrü cke 12.1, 12.1A, 12.1B umfasst und basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium- Technologie ausgeführt ist, und eine Ansteuerschaltung 15, 15A, 15B für die Leistungsschaltvorrichtung 12, 12A, 12 B, wobei Halbleiterleistungsschalter TI,

T2 der mindestens einen Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B als Gallium-Nitrit-Halb- leiter auf einer Vorderseite eines Trägersubstrats SiS ausgebildet sind. Hierbei sind die Leistungsschaltvorrichtung 12, 12A, 12B und die Ansteuerschaltung 15, 15A, 15B basierend auf der Galliumnitrid-auf-Silizium-Technologie als monolithi sches Schaltungsmodul ausgeführt. Die einzelnen Komponenten des monolithi schen Schaltungsmoduls sind auf einem gemeinsamen Trägersubstrat SiS ange ordnet.

Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist die elektrische Last 3 in den darge stellten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 1, 1A, 1B jeweils als dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor 3A ausgeführt. Die korrespondierenden Leis tungsschaltvorrichtungen 12, 12A, 12B sind jeweils als B6-Inverter mit drei Halb brücken 12.1, 12.1A, 12.1B ausgeführt, wobei die Halbbrücken 12.1, 12.1A,

12.1B des B6-Inverters jeweils mit einer Phase U, V, W des dreiphasigen bürs tenlosen Gleichstrommotors 3A verbunden sind. Zudem ist eine Kühlfläche des B6-Inverters direkt oder über mindestens einen Koppelkondensator, welcher eine definierte Kapazität aufweist, mit Masse GND verbunden. Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Leistungsschaltvorrichtung 12 auch weniger oder mehr als drei Halbbrücken 12.1 aufweisen. Zudem kann die Vorrichtung 1 zur Energieversorgung einer elektrischen Last 3 auch eine andere elektrische Last 3 als einen dreiphasigen Gleichstrommotor 3A mit Energie ver sorgen.

Wie aus Fig. 1, 2 und 5 weiter ersichtlich ist, sind Kondensatoren C, CI, C2 einer Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B zur Pufferung einer Versorgungsspannung UBat in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils auf dem Trägersubstrat SiS angeordnet. Somit sind die Zwischenkreiskapazitäten 14, 14A, 14B in den dargestellten Ausführungsbeispielen ebenfalls in das monolithische Schaltungs modul integriert.

Bei nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leistungsendstufe 10 ist das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet. Bei diesen Ausführungsbeispielen können die Kondensatoren C, CI, C2 der Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B auf separaten Trägersubstraten angeordnet und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden. Alternativ können die Kondensatoren C, CI, C2 der Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B bei diesen Ausführungsbeispielen direkt in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden.

Wie aus Fig. 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 15 eine Stromregelung 18, welche ausgeführt ist, mindestens einen Messstrom lm(U,V,W, welcher einen korrespondierenden aktuellen Ausgangsstrom lo(U,V,W) repräsentiert, und mindestens einen Referenzstrom lr(U,V,W) als ana loges Signal zu empfangen und miteinander zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs mindestens ein korrespondierendes Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben. Hierzu umfasst die Stromregelung 18 in den dargestellten Aus führungsbeispielen für jede der Halbbrücken 12.1, 12.1A, 12.1B der Leistungs schaltvorrichtung 12, 12A, 12B einen Komparator 18.1, welcher ausgeführt ist, die korrespondierende Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B abzuschalten, wenn der Messstrom lm(U,V,W den korrespondierenden Referenzstrom lr(U,V,W) über schreitet, und die korrespondierende Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B anzuschal ten, wenn der Messstrom lm(U,V,W) den korrespondierenden Referenzstrom lr(U,V,W) unterschreitet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Stromregelung 18 ist der Komparator 18.1 durch ein Taktsignal TS getaktet. Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, wird der mindestens eine Messstrom lm(U,V,W) im darge stellten Ausführungsbeispiel innerhalb des monolithischen Schaltungsmoduls er fasst.

Wie aus Fig. 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 15, 15A, 15B in den dargestellten Ausführungsbeispielen eine Treiberstufe 16, welche eine Gate-Ansteuerung 16A umfasst und ausgeführt ist, das mindestens eine Schaltsignal von der Stromregelung 18 bzw. dem korrespondierenden Kompara tor 18.1 zu empfangen, aufzubereiten und an die beiden Halbleiterleistungsschal ter TI, T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1, 12.1A, 12.1B der Leistungs schaltvorrichtung 12 auszugeben.

Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst das monolithische Schaltungs modul eine elektrische Schnittstelle 13, welche ausgeführt ist, Signale von exter nen Komponenten und/oder Baugruppen zu empfangen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen empfängt die elektrische Schnittstelle 13 jeweils das Ver- sorgungsspannungspotential UBat und ein Massepotential GND von der Energie versorgung 5 und den mindestens einen Referenzstrom lr(U,V,W) von dem Steu ergerät 7. Zur Erzeugung des mindestens einen Referenzstroms lr(U,V,W) wertet das Steuergerät 7 Ausgangssignale einer Sensorik DWM aus, welche im darge stellten Ausführungsbeispiel den Drehwinkel des dreiphasigen Gleichstrommo tors 3A erfasst und die korrespondieren Ausgangssignale erzeugt.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, umfasst die Zwischenkreiskapazität 14A im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10A einen Kon densator C, welcher als Silizium-Kondensator ausgebildet ist. Dieser Silizium- Kondensator C ist in Deep-Trench-Technologie auf der Rückseite des gemeinsa men Trägersubstrates SiS ausgebildet, um die Versorgungsspannung UBat zu puffern. Hierbei ist der Silizium- Kondensator C mittels nicht dargestellter Durch kontaktierungen durch das Trägersubstrat SiS mit der Leistungsschaltvorrichtung 12A elektrisch kontaktiert.

Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, ist die Zwischenkreiskapazität 14B im darge stellten zweiten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10B geteilt ausge führt und umfasst zwei Kondensatoren CI, C2, welche jeweils als Silizium-Kon densatoren in Deep-Trench-Technologie auf der Rückseite des gemeinsamen Trägersubstrates SiS ausgebildet sind, um die Versorgungsspannung UBat zu puffern. Hierbei sind die Silizium- Kondensatoren CI, C2 mittels nicht dargestell ter Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat SiS mit der Leistungsschalt vorrichtung 12 B elektrisch kontaktiert.

Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leistungsendstufe 10 ist das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte einge bettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet. Bei diesen Ausführungs beispielen können die Kondensatoren C, CI, C2 der Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B als Silizium-Kondensatoren auf separaten Trägersubstraten ausgebil det werden und in die mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagi gen Leiterplatte angeordnet werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen können die Kondensatoren C, CI, C2 der Zwischenkreiskapazität 14, 14A, 14B alternativ als mehrlagige Keramik- Kondensatoren in Chip-Bauweise (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) ausgebildet und direkt in die mehrlagige Leiterplatte einge bettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet werden.

Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 15B für die mindestens eine Halbbrücke 12.1 B im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10B zusätzlich jeweils ein ARCP-Modul 16B, welches Teil der Treiberstufe 16 ist und zwei Hilfsschalter T3, T4 und eine Drosselspule 16.2 aufweist und ausgeführt ist, die Halbleiterleistungsschalter TI, T2 der korrespon dierenden Halbbrücke 12.1B in einem spannungslosen Schaltzeitpunkt zu schal ten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des ARCP-Moduls 16B sind die beiden Hilfsschalter T3, T4 als Gallium-Nitrit-Halbleiter zu einem bidirektional sperren den Hilfsschalter 16.1 zusammengefasst und mit den Halbleiterleistungsschaltern TI, T2 der einzelnen Halbbrücken 12.1 B auf der Vorderseite des Trägersubstrats SiS ausgebildet. Die Drosselspule 16.2 ist kernlos als Leiterbahn im Trägersub strat SiS ausgebildet.

Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Leistungsend stufe 10, bei welchem das monolithische Schaltungsmodul in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet oder auf der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet ist, ist die Drosselspule 16.2 kernlos als Leiterbahn der mehrlagigen Leiterplatte ausge bildet.

Bei dem dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Leistungsendstufe 10B ist die Ansteuerschaltung 15B bzw. das ARCP-Modul 16B ausgeführt, den span nungslosen Schaltzeitpunkt durch eine integrierte Strommessung zu ermitteln. Nachfolgend wird beispielhaft der Umschaltvorgang von einem ersten Halbleiter leistungsschalter TI der korrespondierenden Halbbrücke 12.1B auf einen zwei ten Halbleiterleistungsschalter T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1 B be schrieben. Hierzu wird der bidirektional sperrende Hilfsschalter 16.1 leitend ge schaltet, so dass ein Strom IL durch die Drosselspule 16.2 steigt. Wenn ein Strom IT1 durch den ersten Halbleiterleistungsschalter TI größer als Null ist, ist der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 größer als der korrespondierende Aus gangsstrom lo(U,V,W) und der erste Halbleiterleistungsschalter TI wird sperrend bzw. ausgeschaltet. Daraufhin schwingt die Knotenspannung US, welche über dem ersten Halbleiterleistungsschalter TI abfällt, von OV auf die Versorgungs spannung UBat. Dadurch ist der zweite Halbleiterleistungsschalter T2 span nungsfrei und kann verlustlos leitend bzw. eingeschaltet werden. Zudem bleibt der bidirektional sperrende Hilfsschalter 16.1 noch einmal für mindestens die gleiche Zeitspanne eingeschaltet, damit sich der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 abbauen kann. Dies kann beispielsweise mit einer monostabilen Kippstufe oder einem geschalteten Schieberegister umgesetzt werden. Zur Umsetzung wird entweder der Strom IT1 durch den ersten Halbleiterleistungsschalter TI o- der die über dem ersten Halbleiterleistungsschalter TI abfallende Knotenspan nung US gemessen.

Alternativ kann der spannungslose Schaltzeitpunkt durch eine adaptive Verzöge rungskette ermittelt werden. Analog zur integrierten Strommessung wird nachfol gend beispielhaft der Umschaltvorgang von dem ersten Halbleiterleistungsschal ter TI der korrespondierenden Halbbrücke 12.1 B auf den zweiten Halbleiterleis tungsschalter T2 der korrespondierenden Halbbrücke 12.1 B beschrieben. Hierzu wird der bidirektional sperrende Hilfsschalter 16.1 leitend geschaltet, so dass der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 steigt. Nach Ablauf einer Verzögerungs zeitspanne TV1, welche durch eine Anzahl von Verzögerungsschritten mit identi scher Zeitspanne vorgegeben wird, wird der erste Halbleiterleistungsschalter TI sperrend bzw. ausgeschaltet. Die gewünschte Totzeit TV2 zwischen dem Schal ten des ersten Halbleiterleistungsschalters TI und des zweien Halbleiterleis tungsschalters T2 kann entweder intern oder durch eine externe Beschaltung vorgegeben werden. Der zweite Halbleiterleistungsschalter T2 wird leitend bzw. eingeschaltet, wenn die Knotenspannung US ungefähr so groß wie die Versor gungsspannung UBat oder die gewünschte Verzögerungszeitspanne für die Tot zeit TV2 abgelaufen ist. Anschließend bleibt der bidirektional sperrende Hilfs schalter 16.1 noch einmal mindestens für die vorgegebene Verzögerungs zeitspanne TV1 leitend bzw. eingeschaltet, damit sich der Strom IL durch die Drosselspule 16.2 abbauen kann. Entspricht die Knotenspannung US nach Ab lauf der gewünschten Verzögerungszeitspanne für die Totzeit TV2 ungefähr der Versorgungsspannung UBat, dann wird die vorgegebene Verzögerungs zeitspanne TV1 nicht verändert. Erreicht die Knotenspannung US die Versor gungsspannung UBat vor Ablauf der gewünschten Verzögerungszeitspanne für die Totzeit TV2, dann wird die vorgegebene Verzögerungszeitspanne TV1 um einen Verzögerungsschritt verkleinert. Wird die gewünschte Verzögerungs zeitspanne für die Totzeit TV2 überschritten, dann wird die vorgegebene Verzö gerungszeitspanne TV1 um einen Verzögerungsschritt erhöht. Beide beschriebenen Verfahren sind prinzipiell in NMOS-Logik realisierbar, die erste kann jedoch nur bei ausreichend genauer Strommessung verwendet wer den. Die zweite Methode ist durch ihre adaptive Natur unempfindlicher gegen Pa rameterstreuungen, benötigt aber insgesamt mehr Logikelemente als die erste.

Es können auch beide Verfahren kombiniert werden, wenn beispielsweise die Strommessung allein nicht ausreichend genau ist, aber dennoch dazu verwendet werden kann, das Einstellen der adaptiven Verzögerungskette zu unterstützen bzw. zu verifizieren.