Halbleitermodul Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul für eine

Leistungselektronikschaltung, welche insbesondere für ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Antriebssystem für ein Luftfahrzeug zum Einsatz kommen soll. Zum Antrieb von Luftfahrzeugen wie bspw. Flugzeugen oder Helikoptern werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen oder hybrid-elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges Antriebssystem weist in der Regel zu- mindest eine elektrische Maschine auf, die zum Antreiben des Vortriebsmittels des Luftfahrzeugs als Elektromotor betrieben wird. Weiterhin sind eine Quelle elektrischer Energie zur Versorgung des Elektromotors sowie in der Regel eine Leis ^¬ tungselektronik vorgesehen, mit deren Hilfe der Elektromotor betrieben wird. Im Falle eines hybrid-elektrischen Antriebssystems ist desweiteren ein Verbrennungsmotor vorgesehen, der bspw. seriell in das Antriebssystem integriert ist und bspw. einen Generator antreibt, welcher seinerseits elektrische Energie zur Verfügung stellt, die in einer Batterie gespei- chert und/oder einem Elektromotor zugeführt werden kann. Die dem Elektromotor vorgeschaltete Leistungselektronik kann je nach Konfiguration des Systems als Gleichrichter, Wechselrichter oder Frequenzumrichter ausgebildet sein und stellt dem Elektromotor die zu seinem Betrieb benötigte elektrische Energie in der geeigneten Form zur Verfügung.

Beim elektrischen Betreiben des Luftfahrzeugs kann ein Fehlerfall im Antriebssystem einen Absturz des Luftfahrzeugs zur Folge haben, verbunden mit entsprechenden Gefahren für Passa- giere und in der Regel einhergehend mit erheblichen Sachschä ^¬ den. Bei dem elektrischen Antriebssystem kann ein Fehler unter anderem im Energiespeicher, der die elektrische Energie zur Versorgung des Elektromotors liefert, im Elektromotor und/oder in der oben eingeführten Leistungselektronik auftreten .

Eine derartige Leistungselektronik, die wie oben sowie in WO2016005092A1 beschrieben bspw. als Leistungsumrichter ausgebildet sein kann, weist typischerweise eine Vielzahl von Leistungshalbleitern auf, bspw. IGBTs (insulated gate bipolar transistor) , MOSFETs (metal-oxide semiconductor field effect transistor) , Dioden, etc. Ein Fehler in einem solchen Leis- tungshalbleiter, bspw. ausgelöst durch zu hohe Ströme, zu ho ^¬ he Frequenzen oder durch interne Defekte, führt in einem Leistungsumrichter, der über keinerlei Redundanz verfügt, unmittelbar zum Ausfall des gesamten Umrichters. Für Anwendungen, bei denen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von grundle- gender Bedeutung sind, ist es also essentiell, redundante Ausführungsformen zu entwickeln.

Ein pragmatischer Ansatz liegt darin, den Umrichter als Ganzes zumindest zweifach vorzusehen, um beim Ausfall eines der beiden Umrichter den jeweils anderen Umrichter zu aktivieren, so dass dieser die Funktion des ausgefallenen ersten Umrichters übernimmt. Dieser Ansatz bringt den Nachteil mit sich, dass sich Gewicht, Kosten und Volumen des Systems stark erhö ^¬ hen .

Eine andere Möglichkeit wird bspw. in der WO2016/005166A1 be ^¬ schrieben. Dort wird vorgeschlagen, die Leistungshalbleiter des Umrichters mehrfach vorzusehen. Dies wird durch redundant ausgeführte Module realisiert, wobei die einzelnen Leistungs- halbleiter eines gängigen, nicht redundanten Umrichters durch diese Module ersetzt werden, wobei in einem jeweiligen Modul mehrere Leistungshalbleiter bzw. Schaltzellen ggf. inklusive einer entsprechenden Sicherung zusammengefasst und über ihre Gate-Anschlüsse gleichzeitig angesteuert werden. Bei Ausfall eines der Leistungshalbleiter eines Moduls bleibt die Funkti ^¬ on des Moduls und damit des Umrichters erhalten, da einer der weiteren Leistungshalbleiter des Moduls die Rolle des ausgefallenen Leistungshalbleiters übernimmt. Trotz dieser Maßnah- me zur Erhöhung der Verfügbarkeit können jedoch nach wie vor Fehler bspw. in der Gate-Ansteuerung der Schaltzellen zum Ausfall eines ganzen Moduls führen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Verbesserung der Ausfallsicherheit einer Leistungselektronikschaltung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebenen Halbleitermodul sowie durch das in Anspruch 9 beschriebene

Betriebsverfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.

Ein Halbleitermodul weist eine Vielzahl von parallel geschal- teten leistungselektronischen Schaltzellen auf, wobei verschiedene Schaltzellen der Vielzahl von Schaltzellen derart verschiedenen Gruppen von Schaltzellen zugeordnet sind, dass eine jede Gruppe von Schaltzellen zumindest eine Schaltzelle aufweist, nicht aber alle Schaltzellen . Jede der Schaltzellen weist einen individuellen Gate-Anschluss g zur individuellen Steuerung der jeweiligen Schaltzelle auf, wobei Gate- Anschlüsse verschiedener Schaltzellen nicht direkt miteinander verbunden sind, so dass die verschiedenen Schaltzellen des Moduls von einer Steuerung unabhängig voneinander mit in- dividuellen Gate-Signalen ansteuerbar sind. Konsequenterweise weist das Halbleitermodul eine der Anzahl der Schaltzellen entsprechende Anzahl von Anschlüssen zur Verbindung der individuellen Gate-Anschlüsse mit der Steuerung auf. Der Ausdruck „nicht direkt miteinander verbunden" soll zeigen, dass ein Steuersignal von der Steuerung, welche einer ersten Schaltzelle zugeführt wird, nicht automatisch auch ei ^¬ ne zweite Sachaltzelle des Moduls erreicht. Die Schaltzellen sind zwar im Wesentlichen direkt mit der Steuerung verbunden, nicht aber mit den anderen Schaltzellen . Es ist zwar natürlich nicht ausgeschlossen, dass die zweite Schaltzelle das gleiche Steuersignal erhält, wie die erste Schaltzelle. Dies ist aber nur auf dem Weg möglich, dass die Steuerung dieses Steuersignale individuell auch an der zweiten Schaltzelle zu ^¬ führt .

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept liegt darin, dass eine Leistungselektronikschaltung derart ausgeführt ist, dass die Schaltung mehrere Halbleitermodule aufweist, wobei in jedem der Halbleitermodule mehrere Schaltzellen bzw. Leis ^¬ tungshalbleiter integriert sind. Jede Schaltzelle, bspw. ein IGBT oder ein MOSFET, weist u.a. einen Gate-Anschluss bzw. - Kontakt auf, wobei die individuellen Gate-Anschlüsse der ver ^¬ schiedenen Schaltzellen des jeweiligen Moduls von einer Steuerung der Leistungselektronikschaltung individuell und grundsätzlich unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Dabei ist ein wesentlicher Punkt, dass eine Schaltzelle ein einzelner IGBT oder MOSFET o.ä. ist, nicht aber eine Verschaltung mehrerer solcher Halbleiter. Die Anzahl der separaten Schaltzellen ist dabei in jedem Modul beliebig und kann je nach Redun ^¬ danzbedarf ausgewählt werden. Im Gegensatz zu Modulen, bei denen mehrere parallelgeschalte ^¬ te Schaltzellen mit nur einem, gemeinsamen Gate-Signal angesteuert werden, kann in dieser Realisierung jede Zelle mittels separatem Gate-Signal einzeln geschaltet bzw. gesteuert werden. Dadurch führen Fehler, die die Gate-Ansteuerung selbst betreffen, bspw. ein Ausfall des Gate-Treibers einer der Schaltzellen, nicht unmittelbar zum Ausfall des Moduls, da nicht jede Zelle von diesem Fehler betroffen ist.

Sollte sich für spezielle Anwendungen ein Vorteil daraus er- geben, dass alle Schaltzellen parallel betrieben werden, dass also alle Schaltzellen bzw. deren Gate-Anschlüsse in gleicher Weise geschaltet werden, wie beispielsweise in

WO2016/005166A1 vorgeschlagen, so ist dies mit den hier beschriebenen Modulen nach wie vor möglich.

Es kann eine Sensorik vorgesehen sein, die eine jede Gruppe von Schaltzellen individuell thermisch überwacht, wobei die individuelle Ansteuerung der verschiedenen Schaltzellen in Abhängigkeit von einem jeweiligen Ergebnis der thermischen Überwachung erfolgt. Bspw. kann für den Fall, dass für eine Gruppe eine erhöhte, ggf. kritische Temperatur ermittelt wird, diese Gruppe deaktiviert und dafür eine andere Gruppe aktiviert werden.

In diesem Zusammenhang kann für die Schaltzellen auch die Anzahl der thermischen Zyklen im aktiven und/oder deaktivierten Zustand überwacht werden. Dies erlaubt einerseits, dass eine gleichmäßige Beanspruchung verschiedener Schaltzellgruppen gewährleistet wird und kann auch mit Hilfe eines Lebensdauer ^¬ modells zur Wartung der Module genutzt werden.

Es ist eine Vielzahl von Kühlkreisläufen zur Kühlung der Schaltzellen vorgesehen, wobei die Kühlkreisläufe derart an ^¬ geordnet sind, dass verschiedene Kühlkreisläufe verschiedene Gruppen von Schaltzellen kühlen. Die Steuerung ist dann eingerichtet, um die verschiedenen Kühlkreisläufe derart zu steuern, dass eine in Betrieb befindliche Schaltzelle stärker gekühlt wird als eine nicht in Betrieb befindliche Schaltzel ^¬ le. Die Kühlung wird also für diejenigen Gruppen, die zu einem jeweiligen Zeitpunkt in Betrieb sind, aktiviert und für diejenigen Gruppen, die zu dem Zeitpunkt nicht in Betrieb sind, gedrosselt.

Durch die Verwendung derartiger Kühlkreisläufe wird wiederum die Redundanz im Kühlsystem erhöht und zum anderen der Ein- fluss thermischer Zyklen, die die Lebensdauer eines Halbleitermoduls beeinflussen, reduziert, was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt. Es werden Teilbereiche bzw. Schaltzel ^¬ len, die aktiv sind, gezielt gekühlt, während die Kühlung der Bereiche bzw. Schaltzellen, die nicht aktiv ist, gezielt ge ^¬ drosselt wird, damit die Halbleiter bspw. keine zusätzlichen passiven Temperaturschwankungen erfahren, wenn sich durch veränderte Umgebungsbedingungen die Temperatur des Kühlmediums ändern sollte. Zumindest einige der Schaltzellen weisen vorteilhafterweise verschiedene Spannungsfestigkeiten auf. Kosmische Strahlung ist insbesondere in der Luftfahrt eine Störquelle, die zum Ausfall leistungselektronischer Konverter führen kann. Um den Einfluss der Strahlung zu minimieren, werden Leistungsmodule typischerweise nur bis zu einem bestimmten Grad ihrer spezifizierten Spannungsfestigkeit ausgenutzt (bspw. bis zu 40%- 60%) , was zu einer erheblichen Überdimensionierung des Umrichters führt. Darüber hinaus kommt die dazu benötigte hohe Spannungsfestigkeit der Schaltzellen auf Kosten höherer Leit ^¬ verluste, was die Effizienz des Umrichters verringert. Die hier vorgestellten Module könnten aus Schaltzellen verschiedener Spannungsfestigkeiten bestehen, die dann im jeweiligen Arbeitspunkt so angesteuert werden, dass entweder Schaltzel- len angesteuert werden, deren Verhalten auf Immunität gegen kosmische Strahlung optimiert ist, oder auf Schaltzellen, die voll ausgenutzt werden und damit die Effizienz des Konverters verbessern . Die Steuerung ist in diesem Fall derart eingerichtet, dass die Schaltzellen so angesteuert bzw. betrieben werden, dass entweder Schaltzellen angesteuert werden, deren Verhalten auf weitestgehende Immunität gegen kosmische Strahlung optimiert ist, oder Schaltzellen angesteuert werden, die bis zu ihrer maximalen Spannungsfestigkeit nutzbar sind.

Vorteilhafterweise werden verschiedene Schaltzellen über un ^¬ terschiedliche Kommunikationskanäle angesteuert. Bspw. wird eine Gruppe von Schaltzellen elektrisch angesteuert, während eine andere Gruppe optisch angesteuert wird. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf den Grad der Redundanz des Halbleitermoduls aus .

Weiterhin können verschiedene Schaltzellen unterschiedliche Schaltgeschwindigkeiten aufweisen und/oder auf unterschiedlichen Halbleitertechnologien basieren. Ein Modul kann also aus unterschiedlichen Halbleiterschaltertechnologien bestehen. So ist es beispielhaft denkbar, dass eine IGBT-Zelle parallel zu einer MOSFET-Zelle angeordnet ist. Da jede Zelle separat ansteuerbar ist, kann das Modul das Beste aus den beiden Technologien verbinden. Den Schaltzellen kann außerdem jeweils eine Sicherung zugeordnet sein, wobei die Sicherung jeweils derart ausgelegt und mit der zugeordneten Schaltzelle verschaltet ist, dass bei Überstrombeanspruchung der der Sicherung zugeordneten Schaltzelle die jeweilige Schaltzelle funktional vom Modul getrennt wird, d.h. die jeweilige Sicherung brennt durch. Die Siche ^¬ rungen können bspw. aus einem oder mehreren Bonddrähten bestehen, um bei Überstrombeanspruchung die entsprechende Zelle vom Modul zu trennen. Durch die separate Ansteuerung jeder Schaltzelle könnte auch jeder Zelle eine unterschiedliche Si- cherung und damit eine individuelle Stromtragfähigkeit zuge ^¬ wiesen werden. Damit kann im Betrieb mittels der richtigen Gate-Signalansteuerung je nach Anwendung oder Arbeitspunkt der Wert der Überstromabschaltung verändert werden. In einer Ausführungsform ist nicht allen, aber doch zumindest einer der Schaltzellen jeweils eine Sicherung zugeordnet ist, wobei jede der Sicherungen derart ausgelegt und mit der zu ^¬ geordneten Schaltzelle verschaltet ist, dass bei Überstrombe ^¬ anspruchung der der Sicherung zugeordneten Schaltzelle die jeweilige Schaltzelle funktional vom Modul getrennt wird, und wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass in einem Normalbetrieb des Halbleitermoduls nur Schaltzellen verwendet werden, denen eine Sicherung zugeordnet ist, und nur bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Halbleitermodul eine Schaltzelle ohne zugeordnete Sicherung verwendet wird. Bspw. können hier ^¬ bei auch verschiedene Schaltzellen mit Sicherungen ausgestat ^¬ tet werden, die bei verschiedenen Stromstärken auslösen.

In einem Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik- Schaltung mit einem derartigen Halbleitermodul werden also zumindest zeitweise, wenn nicht sogar ständig, verschiedene Schaltzellen des Halbleitermoduls gleichzeitig mit verschie ^¬ denen Steuersignalen angesteuert. Eine jede Gruppe von Schaltzellen kann dabei individuell thermisch überwacht werden, wobei dann die individuelle An- steuerung der verschiedenen Schaltzellen in Abhängigkeit von einem jeweiligen Ergebnis der thermischen Überwachung erfolgt .

Vorteilhafterweise können die Gruppen von Schaltzellen derart abwechselnd betrieben werden, dass in einem ersten Zeitraum nur eine erste Gruppe von Schaltzellen betrieben wird, während eine zweite Gruppe von Schaltzellen in dem ersten Zeitraum nicht betrieben wird. Konsequenterweise wird in einem auf den ersten Zeitraum folgenden zweiten Zeitraum nur die zweite Gruppe von Schaltzellen betrieben, während die erste Gruppe von Schaltzellen in dem zweiten Zeitraum nicht betrieben wird, usw.

Durch den abwechselnden Betrieb der einzelnen Schaltzellen oder von Gruppen von Schaltzellen kann ein thermisches Balan- eieren des Moduls erreicht und somit die Zuverlässigkeit des Moduls verbessert werden. Die jeweilige Teilmenge der Zellen, die gleichzeitig in Betrieb genommen werden, können auf dem Modul auch thermisch vorteilhaft verteilt werden. Die Ausdrücke „betreiben" bzw. „im Betrieb" oder auch „akti ^¬ viert" etc. sind so zu verstehen, dass eine bspw. „im Be ^¬ trieb" befindliche Schaltzelle von der Steuerung derart ange ^¬ steuert ist, dass sie ihre bestimmungsgemäße Aufgabe erfüllt. Es wird also am Gate-Anschluss einer im Betrieb befindlichen Schaltzelle ein entsprechend geartetes Steuersignal anliegen. Ist eine Schaltzelle nicht im Betrieb, wird am Gate-Anschluss typischerweise kein Signal anliegen.

Im Gegensatz zur einleitend erwähnten Möglichkeit, Redundanz durch Hinzufügen eines weiteren Umrichters zu erreichen, lässt sich auf Grund des hier vorgestellten kompakten Modulaufbaus und des daraus resultierenden Umrichteraufbaus eine Gewichtseinsparung erreichen, da Gehäuse, Verkabelung, Trä- germaterialien und Gate-Treiberschaltungen eingespart werden können .

Das Design der Gate-Treiberschaltungen des hier beschriebenen Moduls kann in mehrerer Hinsicht die Zuverlässigkeit erhöhen:

Die einzelnen Schaltzellen können mit unterschiedlichen Kommunikationskanälen angesteuert werden. Bspw. wird eine Gruppe von Schaltzellen elektrisch angesteuert, während eine andere Gruppe optisch angesteuert wird.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.

Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Es zeigen:

FIG 1 eine schematische Darstellung eines Umrichters,

FIG 2 ein Modul des Umrichters in einer ersten Ausführung,

FIG 3 das Modul in einer Weiterbildung.

Die FIG 1 zeigt die aus WO2016005092A1 bekannte und dort als Umrichter ausgestaltete Leistungselektronikschaltung 1, die einen Gleichrichter 2, einen Zwischenkreis 3, einen Wechselrichter 4 und eine Steuereinrichtung 5 aufweist. Über den Umrichter 1 können eine Spannungsquelle 6 (beispielsweise ein elektrischer Generator) und ein elektrischer Verbraucher 7 (beispielsweise ein Elektromotor) miteinander gekoppelt sein. Die Spannungsquelle 6 kann über Phasenleitungen 8 an den Gleichrichter 2 angeschlossen sein. Der Verbraucher 7 kann über Phasenleitungen 9 an den Wechselrichter 4 angeschlossen sein. Über die Phasenleitungen 8, 9 können jeweils Wechselspannungen unterschiedlicher Phasen übertragen werden.

Aus den Wechselspannungen der Phasenleitungen 8 kann durch den Gleichrichter 2 eine Gleichspannung 10 erzeugt werden, die in den Zwischenkreis 3 eingespeist wird. Der Zwischen ^¬ kreis 3 kann eine Plusleitung 11 und eine Minusleitung 12 aufweisen, zwischen denen die Gleichspannung 10 anliegt. Die Plusleitung 11 und die Minusleitung 12 können über eine Bat- terie 13 und einen Zwischenkreiskondensator 14 gekoppelt sein, durch welchen eine Zwischenkreiskapazität C bereitge ^¬ stellt ist. Die Plusleitung 11 und die Minusleitung 12 koppeln jeweils den Gleichrichter 2 und den Wechselrichters 4. Die Plusleitung 11, die Minusleitung 12 und der Phasenleitun- gen 8,9 können jeweils beispielsweise durch einen Draht oder eine Stromschiene bereitgestellt sein.

Während des Betriebs des Umrichters 1 wandelt der Umrichter 1 die Wechselspannungen in den Phasenleitern 8 in Wechselspan- nungen um, die über die Phasenleiter 9 dem Verbraucher 7 zugeführt werden.

Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 4 weisen jeweils Halbbrücken 17 auf, von denen jede die Plusleitung 11 und die Minusleitung 12 jeweils mit einer anderen der Phasenleitungen 9 verschaltet oder verbindet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur zwei der Halbbrücken 17 mit einem Bezugszeichen versehen . Jede Halbbrücke 17 kann zwei Schalteranordnungen 18, 19 auf ^¬ weisen. Bei jeder Halbbrücke 17 verbindet die Schalteranord ^¬ nung 18 die Plusleitung 11 mit der jeweiligen Phasenleitung 9. Die Schalteranordnung 19 verbindet die Minusleitung 12 mit derselben Phasenleitung 9. Durch abwechselndes Schalten der Schalteranordnungen 18, 19 in dem Gleichrichter 2 wird in an sich bekannter Weise aus einer Wechselspannung eines der Phasenleiter 8 die Gleichspannung 10 erzeugt. Durch abwechselndes Schalten der Schalteranordnungen 18, 19 in dem Wechsel- richter 4 wird in an sich bekannter Weise aus der Gleichspannung 10 in jeweils einem Phasenleiter 9 eine Wechselspannung eingeprägt oder erzeugt. Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 4 können dieselbe Schaltungstopologie aufweisen, d.h. sie können identisch aufgebaut sein.

Zum Bereitstellen der besagten Redundanz sind bei dem Gleich- richter 2 und dem Wechselrichter 4 die Schalteranordnungen

18, 19 jeweils als Halbleitermodule ausgebildet, was sich da ^¬ rin äußert, dass jedes Halbleitermodul 18, 19 mehrere Leis ^¬ tungshalbleiter bzw. Schaltzellen 20, 21 aufweist. Jeder Schaltzelle 20, 21 ist eine eigene Schmelzsicherung 22 in Reihe geschaltet. Bei jeder Schalteranordnung 18, 19 ist also eine Parallelschaltung aus mehreren Reihenschaltungen oder Schaltzweigen Z vorgesehen, wobei jeder Schaltzweig Z auf Grundlage einer Schaltzelle 20, 21 und einer Schmelzsicherung 22 gebildet ist. Jede Schaltzelle 20, 21 kann bspw. als IGBT oder MOSFET ausgestaltet sein.

Zum Steuern der Schalteranordnungen 18, 19 der Halbbrücken 17 werden in WO2016005092A1 gemeinsame Steueranschlüsse G der Schalteranordnungen 18, 19 verwendet. Ein jeweiliger Steuer- anschluss G einer jeden Schalteranordnung 18, 19 ist einerseits mit der Steuereinrichtung 5 gekoppelt und andererseits mit Gate-Eingängen g der Schaltzellen 20, 21 der jeweiligen Schalteranordnung 18, 19, so dass sämtliche Schaltzellen 20, 21 einer jeweiligen Schalteranordnung 18, 19 die gleichen Steuersignale erhalten. Der Vollständigkeit halber ist für eine der Schaltanordnungen 18 des Wechselrichters 4 angedeu ^¬ tet, dass diese neben dem gemeinsamen Steueranschluss G auch einen gemeinsamen Kollektoranschluss K sowie einen gemeinsa ^¬ men Emitteranschluss E aufweist. Gleiches gilt für die übri- gen Schaltanordnungen 18, 19 des Wechselrichters 4 sowie des Gleichrichters 2, ist jedoch der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. In der FIG 1 ist jedes Modul 18, 19 mit zwei Schaltzellen 20, 21 ausgestattet, es ist jedoch denkbar, dass zur weiteren Verbesserung der Redundanz bzw. der Ausfallsicherheit mehr als zwei Schaltzellen je Modul vorgesehen werden. Diese wür- den in analoger Weise verschaltet, d.h. die Emitterkontakte e der Schaltzellen würden an den gemeinsamen Emitteranschluss E des Moduls angeschlossen, die Kollektorkontakte k der Schalt ^¬ zellen würden an den gemeinsamen Kollektoranschluss K des Moduls angeschlossen und die Gate-Eingängen g der Schaltzellen würden an den gemeinsamen Gate- bzw. Steueranschluss G des Moduls angeschlossen.

Zur weiteren Erläuterung der Funktionsweise dieses bekannten Umrichters sei auf die WO2016005092A1 verwiesen.

Die FIG 2 zeigt eine erfindungsgemäße Abwandlung der in FIG 1 dargestellten Leistungselektronikschaltung 1, insbesondere bezüglich der Halbleitermodule 18, 19. Da diese Module 18, 19 identisch aufgebaut sind, wird im Folgenden exemplarisch das Modul 18 beschrieben, wobei die Erläuterungen bzgl. Aufbau und Funktionsweise in gleicher Weise für das Modul 19 gelten.

Das Modul 18 weist, rein exemplarisch, vier Schaltzellen 20a, 20b, 20c, 20d auf, deren Kollektorkontakte wiederum über Si- cherungen 22 mit dem gemeinsamen Kollektoranschluss K des Mo ^¬ duls 18 verbunden sind. Es können natürlich wiederum mehr oder weniger als vier Schaltzellen 20 vorgesehen sein. Die Emitterkontakte e der Schaltzellen 20a, 20b, 20c, 20d sind ebenfalls wie in FIG 1 mit dem gemeinsamen Emitteranschluss E des Moduls 18 verbunden. Im Unterschied zur Ausführung des

Moduls 18 gemäß FIG 1 sind nun jedoch die Gate- bzw. Steuer ^¬ kontakte g der Schaltzellen 20a, 20b, 20c, 20d nicht mehr miteinander und nicht mehr mit einem gemeinsamen Steueranschluss des Moduls verbunden. Konsequenterweise weist das Halbleitermodul 18 eine der Anzahl der Schaltzellen 20a-20d entsprechende Anzahl von Anschlüssen ga, gb, gc, gd zur Verbindung der individuellen Gate-Anschlüsse g mit der Steuerung 5 auf. Vorteilhafterweise sind die Gate-Kontakte g der Schaltzellen 20a, 20b, 20c, 20d über die Anschlüsse bzw. Kon ^¬ takte ga, gb, gc, gd des Moduls 18 derart mit der Steuerung 5 verbunden, dass die Steuerung 5 die Schaltzellen 20a, 20b, 20c, 20d unabhängig voneinander und individuell ansteuern kann. Das Halbleitermodul 18 umfasst also eine Vielzahl von parallel geschalteten leistungselektronischen Schaltzellen 20a, 20b, 20c, 20d, die jeweils einen individuellen Gate- Anschluss g zur individuellen Steuerung der jeweiligen

Schaltzelle 20a, 20b, 20c, 20d aufweisen, wobei die Schalt- zellen 20a, 20b, 20c, 20d des Moduls 18 von der Steuerung 5 unabhängig voneinander mit individuellen, ggf. unterschiedlichen Gate- bzw. Steuer-Signalen ansteuerbar sind.

Die separate Ansteuerung der individuellen Schaltzellen 20a, 20b, 20c, 20d durch die Steuerung 5 führt zu einer Erhöhung des Freiheitsgrads bezüglich der Beanspruchung des Moduls 18. Neben der generellen Verbesserung der Redundanz ergeben sich durch die erhöhte Flexibilität weitere Vorteile. So kann die Steuerung 5 bspw. derart eingerichtet sein, dass im Betrieb des Umrichters 1 nur einige der Schaltzellen 20a-20d, aber nicht alle, verwendet werden. Es wird also nur ein Teil der Schaltzellen 20a-20d des Moduls 18 gleichzeitig betrieben. Bspw. kann jede Schaltzelle 20a, 20b, 20c, 20d mit Hilfe ent ^¬ sprechender Sensoren 31 thermisch überwacht und je nach Bean- spruchung geschont oder belastet werden. Die Sensoren 31 sind mit der Steuerung 5 verbunden, so dass diese die Schaltzellen 20a-20d in Abhängigkeit von den Sensordaten geeignet ansteu ^¬ ern kann. Bspw. kann dies derart erfolgen, dass bei Sensorda ^¬ ten, die auf eine erhöhte, kritische Temperatur der Schalt- zelle 20a schließen lassen, die Steuerung 5 die Schaltzelle

20a zumindest vorübergehend deaktiviert und statt dessen eine oder mehrere der anderen Schaltzellen 20b-20d einsetzt.

Die FIG 2 deutet desweiteren an, dass die Schaltzellen 20a- 20d verschiedenen Gruppen 41, 42 von Schaltzellen zugeordnet sein können. Dabei weist jede Gruppe 41, 42 von Schaltzellen zumindest eine der Schaltzellen 20a-20d des Moduls 18 auf, nicht aber alle Schaltzellen 20a-20d des Moduls 18. Bspw. weist eine erste Gruppe 41 die Schaltzellen 20a, 20b auf, während eine zweite Gruppe 42 die Schaltzellen 20c, 20d um- fasst . Die Zuordnung von Schaltzellen 20a-20d zu den Gruppen 41, 42 kann jedoch mit Hilfe der Steuerung jederzeit in geeigneter Weise angepasst werden. Genauso können mit Hilfe der Steue ^¬ rung je nach Bedarf zusätzliche Gruppen eingeführt oder die Zuordnung zu existierenden Gruppen aufgehoben werden.

Die Steuerung 5 kann derart eingerichtet sein, dass die Grup ^¬ pen 41, 42 von Schaltzellen abwechselnd betrieben werden. D.h. in einem ersten Zeitraum wird werden nur die Schaltzellen 20a, 20b der ersten Gruppe 41 verwendet, während die Schaltzellen 20c, 20d der zweiten Gruppe 42 nicht aktiv sind. In einem anschließenden zweiten Zeitraum werden dagegen nur die Schaltzellen 20c, 20d der zweiten Gruppe 42 verwendet, während die Schaltzellen 20a, 20b der zweiten Gruppe 41 nicht aktiv sind usw. Der Klarheit wegen sei angemerkt, dass dieser Betriebsmodus natürlich auch die Option beinhaltet, dass die einzelnen Schaltzellen 20a-20d des Moduls 18 abwechselnd be ^¬ trieben werden, da die obige Definition der „Gruppe" auch den Fall vorsieht, dass die Gruppen jeweils nur eine einzige Schaltzelle aufweisen. Das würde heißen, dass bspw. zunächst die Schaltzelle 20a, dann die Zelle 20b, anschließend die

Zelle 20c und schließlich die Zelle 20d aktiviert wird, wäh ^¬ rend die jeweils anderen Zellen nicht verwendet werden. Auch ist denkbar, dass bspw. die Zellen 20a, 20b jeweils eine ei ^¬ gene Gruppe für sich bilden, während die Zellen 20c, 20d ei- ner gemeinsamen Gruppe zugeordnet sind, und dass diese drei Gruppen abwechselnd betrieben werden.

Hinsichtlich der oben beschriebenen thermischen Überwachung sei angemerkt, dass es ggf. ausreichend sein kann, dass nicht zwangsläufig jede Schaltzelle 20a-20d thermisch überwacht wird, sondern nur jeweils eine Schaltzelle pro Gruppe. Der beschriebene abwechselnde Betriebs der Gruppen 41, 42 er ^¬ laubt ein thermisches Balancieren des Moduls 18 und somit ei ^¬ ne weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit des Moduls 18. Die jeweilige Teilmenge der Schaltzellen, die einer gemeinsa- men Gruppe zugeordnet sind und die dementsprechend gleichzei ^¬ tig in Betrieb genommen werden, können auf dem Modul 18 auch thermisch vorteilhaft verteilt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Vielzahl von Kühlkreisläufen 51, 52 zur Kühlung der Schaltzellen 20a-20d vorhanden. Bspw. kann für jede Gruppe 41, 42 ein individuell zugeordneter und von der Steuerung 5 nach Bedarf betreibbarer Kühlkreislauf 51, 52 vorgesehen sein. Die Steuerung 5 ist dementsprechend eingerichtet, um die verschiedenen Kühlkreis- läufe 51, 52 derart zu steuern bzw. mit einem geeigneten

Kühlmedium zu beaufschlagen, dass für diejenigen Gruppen 41, 42, die zu einem jeweiligen Zeitpunkt in Betrieb sind, die Kühlung aktiviert ist und für diejenigen Gruppen 41, 42, die zu dem Zeitpunkt ggf. nicht in Betrieb sind, die Kühlung ge- drosselt ist.

Durch diese Maßnahme kann der Einfluss thermischer Zyklen, die die Lebensdauer eines Halbleitermoduls 18 beeinflussen, reduziert werden. Auch kann durch angepasste, individuelle Kühlung die Lebensdauer positiv beeinflusst werden, indem bspw. die in Betrieb befindlichen Gruppen, bspw. die erste Gruppe 41, gezielt gekühlt werden, während die Kühlung der nicht in Betrieb befindlichen Gruppen, bspw. Gruppe 42, gezielt gedrosselt wird, damit die einzelnen Schaltzellen 20a- 20d bspw. keine zusätzlichen passiven Temperaturschwankungen erfahren, wenn sich durch veränderte Umgebungsbedingungen die Temperatur des Kühlmediums ändern sollte.

Darüber hinaus können die separat ansteuerbaren Schaltzellen- gruppen 41, 42 des Moduls 18 unterschiedlich eng an eine evtl. vorhandene Kühlplatte (nicht dargestellt) angebunden werden, um einen Kompromiss zwischen Gleichtakt-EMV- Emissionen und thermischer Anbindung zu finden. Eine große Anbindungsflache an die Kühlplatte garantiert zwar wegen ei ^¬ nes entsprechend geringen thermischen Widerstandes gute ther ^¬ mische Eigenschaften, jedoch eine hohe parasitäre Kapazität zwischen Schaltzelle und Kühlkörper, was in hohen Gleichtakt- EMV-Emissionen resultiert.

Um neben den genannten thermischen Einflüssen auch die schädliche Wirkung der kosmischen Strahlung zu adressieren, weist das Modul 18 Schaltzellen unterschiedlicher Spannungsfestig- keit auf. Bspw. können die Schaltzellen 20a, 20b der ersten

Gruppe 41 derart ausgelegt sein, dass sie auch bei der zu er ^¬ wartenden starken kosmischen Strahlung in großer Flughöhe zuverlässig arbeiten. Dies erfordert, dass die Schaltzellen 20a, 20b nur bis zu einem bestimmten Grad, bspw. 40-60%, ih- rer spezifizierten Spannungsfestigkeit betrieben werden dürfen, was letztlich bedeutet, dass sie stark überdimensioniert ausgelegt werden müssen, um dennoch die benötigte Leistung bereitstellen zu können. Die Schaltzellen 20c, 20d der zweiten Gruppe 42 würden dagegen so ausgelegt werden, dass sie voll beansprucht und ausgenutzt werden können, was sie zwar für einen Betrieb bei nennenswerter kosmischer Strahlung weniger zuverlässig macht, bei geringer Flughöhe aber ver ^¬ spricht, dass das Modul 18 und damit der Umrichter 1 mit ho ^¬ her Effizienz arbeitet.

Die Steuerung 5 würde also die so ausgestattete erste Gruppe 41 in Betrieb nehmen, wenn sich das Luftfahrzeug in einer Höhe mit signifikant erhöhter kosmischer Strahlung befindet, während auf eine Verwendung der ersten Gruppe 41 aufgrund der nicht optimalen Effizienz verzichtet wird, wenn die Flughöhe und damit die kosmische Strahlung geringer ist. Im letzteren Fall würde die Steuerung 5 das Modul 18 mit der hocheffizien ^¬ ten zweiten Gruppe 42 mit den Schaltzellen 20c, 20d betreiben .

Alternativ oder zusätzlich können die Schaltzellen 20a-20d derart unterschiedlich ausgewählt sein, dass die Schaltzellen 20a, 20b bzw. 20c, 20d der verschiedenen Gruppen 41, 42 über unterschiedliche Kommunikationskanäle angesteuert werden kön ^¬ nen. Bspw. werden die Schaltzellen 20a, 20b der ersten Gruppe 41 elektrisch angesteuert, während die Schaltzellen 20c, 20d der zweiten Gruppe 42 optisch angesteuert werden.

Ebenfalls alternativ oder zusätzlich können die Schaltzellen 20a-20d derart unterschiedlich ausgewählt sein, dass die Schaltzellen 20a, 20b bzw. 20c, 20d der verschiedenen Gruppen 41, 42 auf unterschiedlichen Halbleiterschaltertechnologien basieren. Bspw. können die Schaltzellen 20a, 20b der ersten Gruppe 41 MOSFET-Zellen sein, während die Schaltzellen 20c, 20d der zweiten Gruppe 42 IGBT-Zellen sind. Es ist auch denkbar, dass die Zellen einer Gruppe auf unterschiedlichen Halbleiterschaltertechnologien basieren. Da jede Zelle 20a-20d separat ansteuerbar ist, kann das Modul 18 mit Hilfe der

Steuerung 5 je nach Situation die optimale Technologie zum Einsatz bringen. Bspw. kann die Steuerung so arbeiten, dass eine MOSFET-basierte Schaltzelle 20a, 20b kurz vor einer IGBT-basierten Schaltzelle 20c, 20d eingeschaltet wird, um die hohen Einschaltverluste des IGBTs zu vermeiden. Sobald die Spannung über der MOSFET-Zelle 20a, 20b abgefallen ist, kann die IGBT-Zelle 20c, 20d verlustarm eingeschaltet werden und den Strom auf Grund ihrer guten Leiteigenschaften übernehmen. Das Abschalten des Moduls 18 wird durch das verlust- arme Abschalten der IGBT-Zelle 20c, 20d eingeleitet. Der

Strom kommutiert dann kurzfristig zur MOSFET-Schaltzelle 20a, 20b, bevor diese dann abgeschaltet werden kann.

Die FIG 3 zeigt ein Halbleitermodul 18 in einer dahingehend abgewandelten Ausbildung, dass nicht allen Schaltzellen 20a- 20d eine Sicherung 22 zugeordnet ist. Im gezeigten Beispiel ist nur den Schaltzellen 20a, 20c jeweils seine Sicherung 22 zugeordnet, während die Schaltzellen 20b, 20d ohne Sicherung in das Modul 18 integriert sind. Hierdurch kann das Modul 18 im Normalbetrieb mit Sicherung 22 verwendet werden und nur im Fehlerfall wird eine ungesicherte Schaltzelle 20b, 20d ange ^¬ steuert bzw. eingesetzt. Jede Schaltzelle 20a-20d kann bezüglich des Schaltverhaltens durch die jeweilige Gate-Treiberschaltung optimiert werden, bspw. durch Anpassung der Gate-Widerstände, der Gate- Spannung, des maximalen Gate-Stroms, etc. So kann ein Ausba- lancieren der Schaltgeschwindigkeit innerhalb des Moduls 18 erreicht werden, um Spannungsspitzen, bedingt durch unterschiedliche parasitäre Induktivitäten, zu limitieren und die Grenzen jeder Schaltzelle 20a-20d des Moduls 18 vollständig auszureizen. Derartige Gate-Treiberschaltungen sind bspw. auf einem separaten Board angeordnet, welches sehr nahe am zuge ^¬ hörigen Modul liegt, um parasitäre Effekte zu minimieren. Die Steuerung 5 versorgt die Gate-Treiberschaltung mit entsprechenden Steuersignalen. Jeder Schaltzelle 20a-20d kann auch, durch speziell ausgeleg ^¬ te Gate-Treiberschaltungen, eine bestimmte Schaltgeschwindig ^¬ keit (di/dt und dv/dt) zugewiesen werden, die je nach Ar ^¬ beitspunkt zum Einsatz kommt. Somit muss kein Kompromiss zwi ^¬ schen Schaltverlusten und zulässiger EMV-Emissionen eingegan- gen werden, sondern man kann das Modul 18 je nach Anforderung im optimalen Betriebsmodus betreiben.

Die flexible Struktur des Moduls 18 erlaubt auch die sepa ^¬ rierte Sicherung von Diode und Schaltzelle. Je nach Ausfall- rate kann so auch die Anzahl der Schaltzellen und Anzahl der Dioden unterschiedlich sein. Beispielsweise könnte ein Modul aus fünf aktiven Schaltzellen (z.B. IGBTs) und zwei Dioden bestehen, sollte sich in einer vorhergehenden Analyse gezeigt haben, dass Dioden eine viel geringere Ausfallwahrscheinlich- keit haben.