Die Erfindung betrifft einen topologischer Halbleiterschalter mit wenigstens zwei Leistungshalbleitern, insbesondere Leistungstransistoren.

Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul oder ein Halbleiterpackage, damit der aus einer Batterie stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungsmodul weist topologische Schalter mit Leistungstransistoren auf, die zum Steuern der Ströme und zur Erzeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, sogenannte MOSFETs (Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder jedes andere Halbleitermaterial sein. Je nach Ausgestaltung des Leistungstransistors und des Halbleitermaterials weisen die Leistungsmodule unterschiedliche Durchlasskennlinien auf.

Halbleitertransistoren mit Silizium weisen beispielsweise bei größeren Strömen eine bessere Leitfähigkeit auf und Halbleitertransistoren mit Siliziumcarbid bei kleineren Strömen. Je nachdem, wo der Hauptbetriebsbereich des Inverters gesehen wird, kann die Verwendung der Halbleitermaterialien der Halbleitertransistoren darauf abgestimmt werden.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen topologischen Halbleiterschalter anzugeben, bei dem die Effizienz weiter gesteigert ist und der dabei kostengünstig zu realisieren ist.

Zur Lösung dieses Problems wird bei einem topologischen Halbleiterschalter der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass er wenigstens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist. Als Kern der Erfindung wird angesehen, für eine Leistungselektronik bei der Wechselstromerzeugung Leistungshalbleiter mit wenigstens zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien zur Verfügung zu haben und dadurch die Stromversorgung des der Leistungselektronik verbrauchsoptimiert zu realisieren. In dem topologischen Schalter befinden sich wenigstens zwei unterschiedliche Leistungshalbleiter. Je nach Betriebsbereich können dabei entweder ausschließlich diejenigen Leistungshalbleiter verwendet werden, für die der Betriebsbereich vom Wirkungsbereich her optimal ist. Alternativ kann ein Teil der Leistungshalbleiter auch verwendet werden, um in bestimmten Betriebsbereichen zugeschaltet zu werden.

Topologische Schalter sind mögliche Schalter zum Schalten von Strom oder Spannung. Sie können bspw. wenigstens einen Leistungstransistor aufweisen. Je nach Ausgestaltung können sie auch eine Diode aufweisen. Kann der Leistungstransistor eine vorgegebene Strommenge nicht alleine bewältigen können aber auch mehrere Leistungstransistoren parallel geschaltet werden.

Leistungshalbleiter können als Leistungstransistor, Leistungsdiode, Leistungsmehrschichtdioden, Leistungstrioden oder als andere Leistungshalbleiterbauteile ausgebildet sein. Eine Leistungsdiode kann als Kapazitätsdiode, Schalterdiode, Schottky-Di- ode, Gleichrichter-Diode oder Z-Diode ausgebildet sein. Eine Leistungs-Mehrschichtdiode kann als Vierschichtdiode ausgebildet sein. Eine Leistungstrioden kann als Thyristor, Diac oder Triac ausgebildet sein. Ein Leistungstransistor kann als bipolarer Transistor oder Feldeffekttransistoren und hier insbesondere als Sperrschicht-FET oder MOSFET, ausgebildet sein. Weiterhin kann ein Leistungshalbleiter als Darlington-Transistor oder IGBT ausgebildet sein.

Bevorzugt sind die Leistungshalbleiter als Leistungstransistoren ausgebildet.

Bevorzugt kann die Anzahl der ersten Leistungshalbleiter und der zweiten Leistungshalbleiter gleich sein. Alternativ kann die Anzahl der einen Leistungshalbleiter größer sein als die Anzahl der anderen Halbleiter. Bevorzugt sind dabei diejenigen Leistungshalbleiter in der größeren Anzahl, die einem Leistungsbereich entsprechen, der als Hauptleistungsbereich festgelegt ist. Vorteilhafterweise kann ein Halbleitermaterial, insbesondere das erste Halbleitermaterial, Silizium (Si) sein. Silizium ist ein Halbleitermaterial, das bei höheren Strömen eine bessere Leitfähigkeit aufweist.

Vorteilhafterweise kann wenigstens ein Leistungshalbleiter, insbesondere der das erste Halbleitermaterial aufweisende Leistungstransistor, als IGBT ausgebildet sein.

Bevorzugt kann ein Halbleitermaterial, insbesondere das zweite Halbleitermaterial, Siliziumcarbid (SiC) sein. Dieses ist vor allem bei niedrigeren Strömen effizienter.

Vorzugsweise kann wenigstens ein Leistungshalbleiter, insbesondere der das zweite Halbleitermaterial aufweisende Leistungstransistor, als MOSFET ausgebildet sein.

In einer Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass zwei Arten von Leistungstransistoren vorgesehen sind, nämlich Leistungstransistoren mit Silizium und Leistungstransistoren mit Siliziumcarbid. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren, die das Silizium aufweisen, als IGBTs ausgestaltet sind und / oder die Leistungstransistoren, die das Siliziumcarbid aufweisen als MOS- FETs ausgestaltet sind.

Die Leistungshalbleiter können, unabhängig vom verwendeten Halbleitermaterial, bevorzugt als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein. Insbesondere können die Leistungstransistoren als aktive Schalter ausgestaltet sein. Es kann zwar auch passive Schalter, beispielsweise in Form von Dioden, in einer Leistungselektronik wie einem Inverter geben, jedoch sind zumindest zwei unterschiedliche Arten von aktiven Schaltern vorzusehen.

Insbesondere können die Leistungshalbleiter zur Verwendung in der positiven Stromrichtung, also bei Verwendung in einem Inverter in der Stromrichtung zum Elektromotor hin, angeordnet sein. Der topologische Schalter weist also bevorzugt für die positive Stromrichtung wenigstens zwei unterschiedliche aktive Schalter auf. Die Rückwärtsrichtung oder negative Stromrichtung kann je nach Leistungshalbleiter unterschiedlich ausgestaltet sein. Bei Leistungstransistoren mit Siliziumcarbid, insbesondere MOSFETs mit Siliziumcarbid, kann die Rückwärtsrichtung durch dieselben Leistungstransistoren gehen. Bei IGBTs mit Silizium kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in der negativen Stromrichtung eine Diode angeordnet ist.

Weiterhin kann als Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann als Halbleitermaterial Galliumoxid (Ga2Oa) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann als Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann Kohlenstoff (C) als Halbleitermaterial verwendet werden.

Grundsätzlich kann jedes Halbleitermaterial zur Verwendung als erstes Halbleitermaterial verwendet werden und jedes andere Halbleitermaterial als zweites Halbleitermaterial. Auch können ein drittes Halbleitermaterial und ein viertes Halbleitermaterial eingesetzt werden, wenn eine weitere Optimierung dadurch erreicht werden kann. Allerdings steigt auch mit jedem zusätzlichen Halbleitermaterial die Komplexität, da entweder weitere Inverter oder weitere Leiterplatten vorzusehen sind und auch die Ansteuerung immer aufwendiger wird.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, mit der besseren Effizienz in der Stromleitung wenigstens 10 % der Leistung der Leistungselektronik, in der sie verbaut sind, also bspw. der Inverterleistung, stellen. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, mit der besseren Effizienz in der Stromleitung wenigstens 20%, wenigstens 30% oder wenigstens 40 % der Leistung der Leistungselektronik, in der sie verbaut sind, stellen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, mit der besseren Effizienz in der Stromleistung wenigstens 50 % der Leistung der Leistungselektronik, in der sie verbaut sind, stellen. Weiterhin können wenigstens 60 % vorgesehen sein. Die bessere Effizienz bemisst sich dabei daran, dass bei der durchschnittlich erwarteten Verwendung des Inverters eines der verwendeten Halbleitermaterialien einen optimalen Betriebspunkt hat. Beispielsweise ist Siliziumcarbid bei niedrigeren Strömen besonders effizient. Dies korreliert mit niedrigen Beschleunigungen und / oder niedrigen Fahrgeschwindigkeiten. Für ein Stadtauto ist es also vorteilhaft, wenn ein größerer Anteil der Leistungstransistoren Siliziumcarbid aufweist, da die für den hauptsächlich vorgesehenen Betrieb effizienter sind als beispielsweise Leistungstransistoren mit Silizium.

Werden die zweiten Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren, nur bei großen Beschleunigungen verwendet sind diese eine Art Booster für den Fall eines Überholvorgangs oder einer Auffahrt-Fahrsituation. Je nach Ausgestaltung kann für diese trotzdem eine große Menge an der Inverterleistung vorgesehen sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass bei Sportwägen der Anteil der zweiten Leistungstransistoren steigt, weil für die Beschleunigung eine große Leistung vorgesehen sein soll.

Dann kann die eigentliche Strommenge, die über die ersten Leistungstransistoren zur Verfügung gestellt wird, sogar größer sein als bei dem gerade erwähnten Stadtauto. Da für die Beschleunigung aber ein sehr großer Spielraum bestehen soll wird im Verhältnis eine noch größere Anzahl an zweiten Leistungsdioden vorgesehen.

Insbesondere kann man dabei neben der reinen Effizienz auch Kostengesichtspunkte berücksichtigen. So kann man diejenigen Leistungstransistoren, die sozusagen nur kurzzeitig verwendet werden, möglichst kostengünstig ausgestalten. Auch wenn diese in der Effizienz eher schlecht ausgebildet sind, kann so ein kurzfristiger Leistungshub kostengünstig realisiert werden. Die Gesamtbilanz wird dadurch aber auch nur unwesentlich verschlechtert.

Die Leistung der Leistungselektronik, insbesondere Inverterleistung, auf die dabei referenziell wird, ist bevorzugt die Peakleistung. Diese ist üblicherweise als 10-Sekun- den-Wert festgelegt. Es ist also diejenige maximale Leistung, die die Leistungselektronik für zehn Sekunden zur Verfügung stellen kann. Natürlich kann das Verhältnis der Leistungsdioden auch durch andere Größen zueinander in Bezug gesetzt werden. In einer Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass zwei Arten von Leistungshalbleitern, insbesondere Leistungstransistoren, vorgesehen sind, nämlich Leistungshalbleiter mit Silizium und Leistungshalbleiter mit Siliziumcarbid. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren, die das Silizium aufweisen, als IGBTs ausgestaltet sind und / oder die Leistungstransistoren, die das Siliziumcarbid aufweisen als MOSFETs ausgestaltet sind.

Daneben betrifft die Erfindung ein Halbbrückenmodul wenigstens zwei topologischen Schaltern. Das Halbbrückenmodul zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der topologischen Schalter wie beschrieben ausgebildet ist. Bevorzugt sind alle topologischen Schalter des Halbbrückenmoduls wie beschrieben ausgebildet. Bevorzugt sind die beiden oder jeweils zwei topologische Schalter in Serie angeordnet. Dabei ist einer der topologischen Schalter dem Minuspol einer Batterie und der andere topologische Schalter dem Pluspol der Batterie zugeordnet.

Man kann also auch von einer Halbbrückentopologie sprechen. Zwei topologische Schalter in Serie bilden ein topologisches Halbbrückenelement. Zur Bildung einer Halbbrücke können mehrere dieser Halbbrückenelemente parallel geschaltet sein. Als Halbbrücke wird dabei ein reales Bauteil verstanden, das auch als solches kaufbar ist.

Daneben betrifft die Erfindung ein B6-Modul mit wenigstens zwei Halbbrücken aufweisend jeweils wenigstens ein Halbbrückenmodul. Das B6-Modul zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Halbbrückenmodul wie beschrieben ausgebildet ist. Auch das B6-Modul ist topologisch zu verstehen. Die Halbbrücke für eine Phase kann mehrere Halbbrückenmodule aufweisen, um die anfallende Strommenge bewältigen zu können. Die Anzahl der Halbbrücken eines Inverters bzw. eines B6-Moduls entspricht der Anzahl der zu erzeugenden Phasen. Die einzelne Halbbrücke kann aber aus mehreren Halbbrückenmodulen bestehen.

Bevorzugt weisen die topologischen Schalter der Halbbrückenmodule alle denselben Aufbau auf. Bevorzugt weisen auch die Halbbrückenmodule alle denselben Aufbau auf. Sie unterscheiden sich dann nur in ihrer Zuordnung zu unterschiedlichen Phasen.

Vorzugsweise sind alle Halbbrücken des B6-Moduls wie beschrieben ausgebildet.

Bevorzugt weist das B6-Modul drei Halbbrücken auf. Alternativ kann das B6-Modul vier Halbbrücken aufweisen. Weiter alternativ kann das B6-Modul sechs Halbbrücken aufweisen. Weiter alternativ kann das B6-Modul zwölf Halbbrücken aufweisen.

Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter mit wenigstens zwei topologischen Halbleiterschaltern und/oder wenigstens einem Halbbrückenmodul und/oder wenigstens einem B6-Modul. Der Inverter zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der topologischen Schalter und/oder das Halbleiterpackage und/oder das Halbbrückenmodul und/oder das B6-Modul wie beschrieben ausgebildet ist.

Der Inverter kann weiterhin eine Kontrollboard, auch Steuerungsboard genannt, aufweisen.

Weiterhin kann der Inverter ein Leistungsboard aufweisen. Auf diesem können die Halbleiterpackages und/oder die Halbbrückenmodule und/oder die B6-Module angeordnet sein. Statt der B6-Module können die Halbbrückenmodule auch in anderen übergeordneten Modulen verbaut sein. Auch können die Halbleiterpackages in anderen übergeordneten Modulen verbaut sein.

Weiterhin kann der Inverter einen Stromsensor aufweisen. Mit diesem kann insbesondere die Stärke des ausgegebenen Wechselstroms bestimmt werden.

Auch kann der Inverter eine Kühlvorrichtung aufweisen. Diese kann in einer Wand des Inverters angeordnet sein oder innerhalb des Inverters.

Weiterhin kann der Inverter eine Kondensatoranordnung aufweisen. Die Kondensatoranordnung kann mehrere Zwischenkreiskondensatoren besitzen. Weiterhin kann der Inverter Stecker zur Anbindung der Stromleitungen und/oder von Signalleitungen aufweisen.

Weiterhin kann der Inverter einen EMV-Filter aufweisen. Dieser kann insbesondere an der Gleichstromseite der Stromleitungen angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Filter an der Wechselstromseite der Stromleitungen angeordnet sein.

Daneben betrifft die Erfindung eine Elektromotoranordnung mit wenigstens einem Elektromotor und einem Inverter. Die Elektromotoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Inverter wie beschrieben ausgebildet ist.

Vorzugsweise kann die Elektromotoranordnung genau einen Elektromotor aufweisen. Alternativ kann die Elektromotoranordnung wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Elektromotoren aufweisen. Der Inverter ist bevorzugt der einzige Inverter der Elektromotoranordnung. Der beschriebene Inverter kann nämlich auch zum Betrieb zweier Elektromotoren verwendet werden.

Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Elektromotoranordnung. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektromotoranordnung wie beschrieben ausgebildet ist.

Das Kraftfahrzeug kann vorteilhafterweise eine elektrische Achse aufweisen und die Elektromotoranordnung an der elektrischen Achse angeordnet sein.

Alternativ oder zusätzlich kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Es kann also auch wenigstens einen Verbrennungsmotor aufweisen. Dann kann die Elektromotoranordnung an derselben oder einer anderen Achse angeordnet sein wie der Verbrennungsmotor.

Bevorzugt kann die Elektromotoranordnung in einem Kraftfahrzeug mit einer einzigen elektrischen Achse angeordnet sein. Dadurch kann die Effizienz beispielsweise in Hybrid-Fahrzeugen weiter gesteigert werden, da bei rein elektrischer Fahrt bei unterschiedlichsten Fahrsituationen immer Leistungstransistoren mit einem optimalen Betriebspunkt zur Verfügung stehen.

Die Inverter können dabei für Spannungsklassen von 48 V, 400 V oder 800 V ausgebildet sein. Die Leistungsdioden können dementsprechend Raitings von 80 V oder 120 V oder 650 V oder 750 V oder 1200 V aufweisen. Dabei ist die maximale Sperrspannung bezeichnet.

Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine Gleichstromquelle, bspw. wenigstens eine Batterie. Diese speist den Inverter mit Gleichstrom und/oder wird über den Inverter geladen.

Alternativ kann das Kraftfahrzeug auch eine Brennstoffzelle aufweisen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Kraftfahrzeug,

Fig. 2 einen topologischen Schalter in einer ersten Ausgestaltung,

Fig. 3 einen topologischen Schalter in einer zweiten Ausgestaltung,

Fig. 4 ein Halbbrückenmodul, und

Fig. 5 ein B6-Modul.

Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Leistungselektronik 2, beispielsweise in Form eines Inverters 3. Dieser umfasst u.a. ein Leistungsmodul 4.

Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Das Kraftfahrzeug 1 kann grundsätzlich als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist das Kraftfahrzeug 1 eine einzige elektrische Achse auf.

Im Folgenden werden die Bauteile des Leistungsmoduls 4 von „unten“ nach „oben“ beschrieben:

Fig. 2 zeigt einen topologischen Schalter 6 dieser weist drei Leistungstransistoren auf, einen MOSFET 7 und zwei IGBTs 8. Der MOSFET 7 weist als Halbleitermaterial bevorzugt Siliziumcarbid auf und die IGBTs Silizium. Soll der topologische Schalter rein exemplarisch 300 A verarbeiten können, müssen die Leistungstransistoren 7 und 8 rein exemplarisch jeweils 100 A verarbeiten können. Sie sind parallel angeordnet, daher addiert sich die Stromtraglast.

Wie man sieht ist die Anzahl der Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungstransistoren 7 und 8, bei einem topologischen Schalter 6 nicht genau festgelegt. Feststehend ist aber, dass zwischen dem Eingang 9 und dem Ausgang 10 eben eine Schalterfunktion vorhanden ist. Diese ist über den topologischen Schalter 6 realisiert. Dessen Aufbau ist wie beschrieben lediglich dahingehend festgelegt, dass er wenigstens einen ersten Leistungshalbleiter mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Leistungshalbleiter mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist. In diesem Beispiel ist der erste Leistungshalbleiter der MOSFET 7 mit dem ersten Halbleitermaterial SiC und als zweite Leistungshalbleiter sind zwei IGBTs 8 mit dem zweiten Halbleitermaterial Si vorgesehen. Dabei werden diese Halbleitertransistoren mit den gezeigten Materialien bevorzugt, ihre Anzahl ist aber von der benötigten Stromtraglast abhängig und daher rein exemplarisch.

Üblicherweise wird ein topologischer Schalter auch mit einer Diode pro Transistor dargestellt. Dies ist der Übersichtlichkeit halber entfallen.

Fig. 3 zeigt einen abgewandelten topologischen Schalter 6 mit vier Transistoren, wovon zwei als MOSFET 7 und zwei als IGBT 8 ausgebildet sind. Dies zeigt die Variabilität eines topologischen Schalters 6. Es sei darauf hingewiesen, dass die Leistungshalbleiter, unabhängig von ihrer konkreten Ausgestaltung und der Ausgestaltung des topologischen Schalters 6, bevorzugt getrennt ansteuerbar sind. Dies schließt mit ein, dass alle auch gleichzeitig ansteuerbar sind oder jede Kombination einzelner Leistungshalbleiter oder jeder einzelne Halbleiter.

Fig. 4 zeigt ein Halbbrückenmodul 12. Dieses weist zwei in Reihe geschaltete topologische Schalter 6 auf. Der Eingang 9 ist mit dem Pluspol einer Batterie zu verbinden und der Ausgang 10 mit dem Minuspol. An der Verbindung 14 kann ein Phasenstrom an der Phasenleitung 16 abgegriffen werden. Jeder der topologischen Schalter 6 kann wie zu den Figuren 2 oder 3 ausgebildet sein. Die topologischen Schalter 6 sind aber bevorzugt jeweils identisch aufgebaut. D.h. hat der topologische Schalter auf der Pluspolseite vier Transistoren, hat es derjenige auf der Minuspolseite auch. Sind auf der Minuspolseite zwei MOSFETs und zwei IGBTs, ist es auf der Minuspolseite ebenso.

Der topologische Schalter auf der Pluspolseite wird auch Highside-Schalter genannt und der topologische Schalter auf der Minuspolseite Lowside-Schalter.

Fig. 5 zeigt ein sogenanntes B6-Modul 18. Dieses weist für jede bereitzustellende Phase PH1 , PH2 und PH3 eines mehrphasigen Elektromotors eine Halbbrücke 20 auf. Je nach Stromtraglast kann eine Halbbrücke 20 ein Halbbrückenmodul 12 oder auch zwei oder mehrere aufweisen. Eine Halbbrücke 20 ist also auch eine Topologie. Sie hat die Funktion der Bereitstellung eines Phasenstroms. Bei drei Phasenströmen hat ein B6-Modul 18 drei Halbbrücken 20 und damit zumindest drei Halbbrückenmodule 12. In den Halbbrückenmodulen sind die topologischen Schalter 6 bevorzugt identisch aufgebaut. Bezuqszeichen

Kraftfahrzeug

Leistungselektronik

Inverteranordnung

Leistungsmodul elektrische Achse

Elektromotoranordnung

MOSFET

IGBT

Eingang

Ausgang

Halbbrückenmodul

Verbindung

Phase

B6-Modul

Halbbrücke