Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

WO2018138017A1 - Semiconductor module - Google Patents

Semiconductor module Download PDF

Info

Publication number
WO2018138017A1
WO2018138017A1 PCT/EP2018/051340 EP2018051340W WO2018138017A1 WO 2018138017 A1 WO2018138017 A1 WO 2018138017A1 EP 2018051340 W EP2018051340 W EP 2018051340W WO 2018138017 A1 WO2018138017 A1 WO 2018138017A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching
switching cells
cells
semiconductor module
different
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/051340
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christoph Berndt Marxgut
Swen Ruppert
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2018138017A1 publication Critical patent/WO2018138017A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/12Modifications for increasing the maximum permissible switched current
    • H03K17/127Modifications for increasing the maximum permissible switched current in composite switches
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/08116Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit in composite switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K2017/0806Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor module for a
  • Power electronics circuit which should be used in particular for an electric or hybrid-electric drive system for an aircraft.
  • an electric or hybrid-electric drive system for propulsion of aircraft such as aircraft or helicopters, concepts based on electric or hybrid-electric propulsion systems are being investigated and used as an alternative to the conventional internal combustion engines.
  • Such a drive system generally has at least one electric machine, which is operated to drive the propulsion means of the aircraft as an electric motor.
  • a source of electrical energy for supplying the electric motor as well as a rule are a Leis ⁇ consumer electronics provided by means of which the electric motor is operated.
  • an internal combustion engine is provided, which, for example, is serially integrated into the drive system and, for example, drives a generator, which in turn provides electrical energy stored in a battery and / or supplied to an electric motor can be.
  • the power electronics connected upstream of the electric motor can be embodied as rectifiers, inverters or frequency converters and provide the electric motor with the electrical energy required for its operation in the suitable form.
  • a fault in the drive system can result in a crash of the aircraft result, coupled with corresponding risks to passen- gers and usually accompanied by considerable SachM ⁇ .
  • a fault among others in the energy storage which supplies the electrical energy for supplying the electric motor, in the electric motor and / or in the power electronics introduced above.
  • Such power electronics which can be embodied as described above and in WO2016005092A1, for example as a power converter, typically has a plurality of power semiconductors, for example IGBTs (insulated gate bipolar transistor), MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor), diodes, etc. a failure in such power semiconductors, eg. caused by excessive currents to ho he ⁇ frequencies, or by internal defects, resulting in a power converter that has no redundancy, directly to the failure of the entire converter. For applications where availability and reliability are essential, it is essential to develop redundant designs.
  • IGBTs insulated gate bipolar transistor
  • MOSFETs metal oxide semiconductor field effect transistor
  • a pragmatic approach is to provide the inverter as a whole at least twice, in order to activate the other inverter in case of failure of one of the two inverters, so that this takes over the function of the failed first inverter.
  • This approach has the disadvantage that weight, cost and volume of the system greatly raised stabili ⁇ hen.
  • a semiconductor module has a multiplicity of power electronic switching cells connected in parallel, wherein different switching cells of the plurality of switching cells are assigned to different groups of switching cells in such a way that each group of switching cells has at least one switching cell, but not all switching cells.
  • Each of the switching cells has an individual gate connection g for individually controlling the respective switching cell, wherein gate connections of different switching cells are not directly connected to each other, so that the different switching cells of the module can be controlled independently of one another by individual gate signals are. Consequently, the semiconductor module has a number of terminals corresponding to the number of switching cells for connecting the individual gate terminals to the controller.
  • not directly connected is intended to indicate that a control signal from the controller, which is supplied to a first switch cell does not automatically also achieved ei ⁇ ne second Sachaltzelle of the module.
  • the switching cells are indeed substantially directly connected to the controller, not Of course, it is not excluded that the second switch cell receives the same control signal as the first switch cell, but this is only possible on the way that the controller controls this Control signals individually to the second switching cell ⁇ leads.
  • a power electronics circuit is configured such that the circuit comprises a plurality of semiconductor modules, wherein in each of the semiconductor modules more switching cells or Leis ⁇ semiconductor processing are integrated.
  • Each switching cell for example an IGBT or a MOSFET, has, inter alia, a gate connection or contact, wherein the individual gate connections of the different switching cells of the respective module can be controlled individually and basically independently of one another by a control of the power electronics circuit.
  • An important point here is that a switching cell is a single IGBT or MOSFET or similar. is, but not an interconnection of several such semiconductors. The number of separate switching cells is arbitrary in each module and can be selected depending on Redun ⁇ danz band.
  • each cell can be switched or controlled individually by means of a separate gate signal in this realization.
  • errors that affect the gate drive itself for example, a failure of the gate driver of one of the switching cells, not directly to the failure of the module, since not every cell is affected by this error.
  • a sensor which thermally monitors each group of switching cells individually thermally, wherein the individual control of the various switching cells in Depending on a respective result of the thermal monitoring takes place. For example. If, for one group, an increased, possibly critical temperature is determined, this group can be deactivated and another group activated.
  • the number of thermal cycles in the active and / or deactivated state can also be monitored for the switching cells. This allows on the one hand that a uniform loading of different switching groups of cells is ensured and can be used for maintenance of the modules also by means of lifetime ⁇ model.
  • cooling circuits for cooling the switching cells, wherein the cooling circuits are arranged to ⁇ such that different cooling circuits cool different groups of switching cells.
  • the controller is then set up to control the various cooling circuits in such a way that an operating switching cell is cooled more strongly than a switching cell not in operation.
  • the cooling is therefore activated for those groups that are in operation at a particular time and throttled for those groups that are not in operation at the time.
  • power modules are typically utilized only to a certain degree of their specified withstand voltage (eg up to 40% -60%), which leads to a considerable oversizing of the converter.
  • the required high dielectric strength of the switching cells comes at the expense of higher Leit ⁇ losses, which reduces the efficiency of the inverter.
  • the modules presented here could consist of switching cells of different voltage strengths, which are then controlled at the respective operating point in such a way that either switching cells are activated whose behavior is optimized for immunity to cosmic radiation or switch cells that are fully utilized and thus the efficiency improve the converter.
  • the controller is set up in such a way that the switching cells are controlled or operated in such a way that either switching cells are activated whose behavior is optimized for the greatest possible degree of immunity to cosmic radiation, or switching cells are activated which can be used up to their maximum dielectric strength.
  • different switching cells via un ⁇ ter Kunststofferie communication channels are controlled.
  • one group of switch cells is electrically driven, while another group is optically driven. This also has a positive effect on the degree of redundancy of the semiconductor module.
  • a module can therefore consist of different semiconductor switch technologies. It is thus conceivable, for example, for an IGBT cell to be parallel to a MOSFET cell is arranged. Since each cell is separately controllable, the module can connect the best of the two technologies.
  • the switching cells can also be assigned in each case a fuse, wherein the fuse is in each case designed and interconnected with the associated switching cell that at overcurrent load of the fuse associated switching cell, the respective switching cell is functionally separated from the module, ie the respective fuse blows.
  • the Siche ⁇ approximations can, for example, from one or more bond wires are made to separate in case of current stress the corresponding cell from the module.
  • each switching cell and each cell could be a different Si insurance and an individual current capacity supplied ⁇ item.
  • the value of the overcurrent shutdown can be changed during operation by means of the correct gate signal control depending on the application or operating point.
  • each of said fuses is constructed and interconnected with the at ⁇ parent switching cell, that in Studentsstrombe ⁇ liqueung of the associated fuse switch cell the respective switch cell functionally from Module is disconnected, and wherein the controller is arranged such that in a normal operation of the semiconductor module only switching cells are used, which is associated with a fuse, and only in the presence of a fault in the semiconductor module, a switching cell is used without associated fuse.
  • can be here at various cubicles with fuses equipped kitchens ⁇ tet that trigger at different current levels.
  • the groups of switching cells can be operated alternately such that in a first time period only a first group of switching cells is operated, while a second group of switching cells is not operated in the first time period. Consequently, in a second period following the first period, only the second group of switching cells is operated, while the first group of switching cells is not operated in the second period, and so on.
  • thermal balancing of the module can be achieved and thus the reliability of the module can be improved.
  • the respective subset of the cells which are put into operation at the same time can also be advantageously distributed thermally on the module.
  • the terms "run” or “in use” or “acti ⁇ fourth” etc. are to be understood as that a for example. "Rate at work ⁇ " switch cell from the controller located so attached is ⁇ controlled to be the intended Task completed. It will therefore be present at the gate terminal of a switching cell in operation a corresponding kind of control signal. If a switching cell is not in operation, there will typically be no signal at the gate terminal.
  • weight saving can be achieved on account of the compact module structure presented here and the resulting converter design, since housing, wiring, carrier germaterialien and gate driver circuits can be saved.
  • the design of the gate driver circuits of the module described herein can increase reliability in several ways:
  • the individual switching cells can be controlled with different communication channels. For example. one group of switch cells is electrically driven, while another group is optically driven.
  • FIG. 1 shows the power electronics circuit 1 known from WO2016005092A1 and designed there as a converter, which has a rectifier 2, an intermediate circuit 3, an inverter 4 and a control device 5.
  • a voltage source 6 for example an electric generator
  • an electrical consumer 7 for example an electric motor
  • the voltage source 6 can be connected to the rectifier 2 via phase lines 8.
  • the consumer 7 can be connected via phase lines 9 to the inverter 4 be.
  • AC voltages of different phases can be transmitted in each case via the phase lines 8, 9.
  • a DC voltage 10 can be generated by the rectifier 2, which is fed into the DC link 3.
  • the intermediate ⁇ circle 3 may have a positive line 11 and a minus line 12, between which the DC voltage 10 is applied.
  • the positive lead 11 and the negative lead 12 can terie a Bat-13 may be an intermediate circuit capacitor 14 and coupled through which an intermediate circuit capacitance C encouragege ⁇ represents is.
  • the plus line 11 and the minus line 12 couple the rectifier 2 and the inverter 4, respectively.
  • the plus line 11, the minus line 12 and the phase lines 8, 9 may each be provided, for example, by a wire or a bus bar.
  • the converter 1 converts the alternating voltages in the phase conductors 8 into alternating voltages, which are supplied to the load 7 via the phase conductors 9.
  • the rectifier 2 and the inverter 4 each have half bridges 17, each of which connects or connects the plus line 11 and the minus line 12 to another one of the phase lines 9. For clarity, only two of the half bridges 17 are provided with a reference numeral.
  • Each half-bridge 17 may include two switch assemblies 18, have ⁇ 19th At each half-bridge 17, the switch arrangement 18 connects the plus line 11 to the respective phase line 9.
  • the switch arrangement 19 connects the minus line 12 to the same phase line 9.
  • the rectifier 2 and the inverter 4 may have the same circuit topology, ie they may be of identical construction.
  • the rectifier 2 and the inverter 4 have the switch arrangements
  • each switching cell 20, 21 is a separate fuse 22 connected in series. In each switch assembly 18, 19 so a parallel circuit of a plurality of series circuits or switching branches Z is provided, each switching branch Z is formed on the basis of a switching cell 20, 21 and a fuse 22.
  • Each switching cell 20, 21 may, for example, be designed as an IGBT or MOSFET.
  • each module 18, 19 is equipped with two switch cells 20, 21, but it is conceivable that more than two switch cells per module are provided to further improve the redundancy or the reliability.
  • These would be connected in an analogous manner, that is, the emitter contacts e of the switching cells would be connected to the common emitter terminal E of the module, the collector contacts k of the switching ⁇ cells would be connected to the common collector terminal C of the module and the gate-input g of the circuit cells would connected to the common gate or control terminal G of the module.
  • FIG. 2 shows a modification of the power electronics circuit 1 shown in FIG. 1, in particular with respect to the semiconductor modules 18, 19. Since these modules 18, 19 are constructed identically, the module 18 will be described below by way of example, the explanations regarding the structure and mode of operation apply in the same way for the module 19.
  • the module 18 has, by way of example, four switching cells 20a, 20b, 20c, 20d, whose collector contacts in turn fuses on Si 22 are connected to the common collector terminal K of Mo ⁇ duls 18th Of course, in turn, more or less than four switching cells 20 may be provided.
  • the emitter contacts e of the switching cells 20a, 20b, 20c, 20d are also connected to the common emitter terminal E of the module 18 as in FIG. Unlike the execution of the
  • the gate or control are now contacts ⁇ g of switching cells 20a, 20b, 20c, 20d no longer connected to each other and no longer with the common control terminal of the module. Consequently, the semiconductor module 18 has a number of terminals ga, gb, gc, gd corresponding to the number of switching cells 20a-20d for connecting the individual gate terminals g to the controller 5.
  • the gate contacts g are the Switching cells 20a, 20b, 20c, 20d connected via the terminals or Kon ⁇ clocks ga, gb, gc, gd of the module 18 to the controller 5 such that the controller 5, the switching cells 20a, 20b, 20c, 20d independently and individually can drive.
  • the semiconductor module 18 thus comprises a plurality of parallel-connected power electronic switching cells 20a, 20b, 20c, 20d, each having an individual gate connection g for the individual control of the respective
  • Switching cell 20a, 20b, 20c, 20d wherein the switching cells 20a, 20b, 20c, 20d of the module 18 by the controller 5 are independently controllable with individual, possibly different gate or control signals.
  • the controller 5 may be configured such that only some of the switching cells 20a-20d, but not all, are used in the operation of the converter 1. Thus, only part of the switching cells 20a-20d of the module 18 are operated simultaneously. For example. can each switching cell 20a, 20b, 20c, 20d are thermally monitored using ent ⁇ speaking sensors 31 and spruchung protected or charged depending on the stresses.
  • the sensors 31 are connected to the controller 5, so that these ansteu ⁇ ren, the switch cells 20a-20d in response to the sensor data suitable. For example. this can be made such that when Sensorda ⁇ th, suggesting 20a to an elevated critical temperature of the cubicle, the controller 5, the switching cell
  • the FIG 2 further indicates that the switching cells 20a-20d may be assigned to different groups 41, 42 of switching cells.
  • Each group 41, 42 of switching cells has at least one of the switching cells 20a-20d of the module 18, but not all of the switching cells 20a-20d of the module 18.
  • a first group 41 comprises the switching cells 20a, 20b
  • a second group 42 comprises the switching cells 20c, 20d.
  • the assignment of switching cells 20a-20d to the groups 41, 42 can be adapted at any time by means of the controller in a suitable manner.
  • additional groups as required or assigned to existing groups are removed using the Steue ⁇ tion.
  • the controller 5 may be configured such that the Grup ⁇ pen 41, 42 are operated alternately by switching cells. That is, in a first period, only the switching cells 20a, 20b of the first group 41 are used while the switching cells 20c, 20d of the second group 42 are not active. In a subsequent second period, on the other hand, only the switching cells 20c, 20d of the second group 42 are used while the switching cells 20a, 20b of the second group 41 are not active, etc.
  • this mode of operation also includes the option that the individual switching cells 20a-20d of the module 18 are alternately be ⁇ exaggerated, since the above definition of "group" which also provides for the case that the groups each have only a single switching cell. This would mean that, for example, first the switch cell 20a, then the cell 20b, then the
  • Cell 20c and finally the cell is activated 20d, currency ⁇ rend each other cells are not used. It is also conceivable that, for example, the cells 20a, 20b each form an egg ⁇ gene group for themselves, while the cells 20c, 20d are assigned to a common group, and that these three groups are operated alternately.
  • each switching cell 20a-20d is thermally monitored, but only one switching cell per group.
  • the respective subset of the switching cells which are associated with a common men group and accordingly gleichzei ⁇ tig be put into operation, can be distributed thermally advantageous on the module 18.
  • a plurality of cooling circuits 51, 52 for cooling the switching cells 20a-20d are present.
  • each group 41, 42 an individually assigned and operated by the controller 5 as needed cooling circuit 51, 52 may be provided.
  • the controller 5 is accordingly set up to control the various cooling circuits 51, 52 in such a way or with a suitable one
  • the life span can also be positively influenced by adapted, individual cooling, for example by selectively cooling the groups in operation, for example the first group 41, while selectively throttling the cooling of the groups which are not in operation, for example group 42 is, so that the individual switching cells 20a-20d, for example, learn no additional passive temperature fluctuations, if the temperature of the cooling medium should change due to changes in ambient conditions.
  • separately controllable switch cell groups 41, 42 of the module 18 can be connected to a cooling plate (not shown) of different sizes, in order to find a compromise between common-mode EMC emissions and thermal connection.
  • connection surface to the cooling plate guarantees good ther ⁇ mical properties because of ei ⁇ nes correspondingly low thermal resistance, but a high parasitic capacitance between the switching cell and heat sink, resulting in high common mode EMC emissions.
  • the module has 18 switching cells of different dielectric strength. For example, the switching cells 20a, 20b of the first
  • Group 41 may be designed so that they work reliably even at the expected he ⁇ waiting strong cosmic radiation at high altitude. This requires that the switching cells 20a, 20b be allowed to operate only to a certain degree, for example 40-60%, of their specified dielectric strength, which ultimately means that they must be made very oversized in order to still provide the required power to be able to.
  • the switching cells 20c, 20d of the second group 42 would be designed so that they can be fully utilized and exploited, which makes them less reliable for operation with appreciable cosmic radiation, but ver ⁇ speaks at low altitudes that the module 18th and thus the inverter 1 operates with ho ⁇ her efficiency.
  • the controller 5 would thus operate the thus equipped first group 41 when the aircraft is at a level with significantly increased cosmic radiation, while dispensing with the use of the first group 41 due to the non-optimal efficiency when the altitude and thus the cosmic radiation is lower. In the latter case, the controller 5 would operate the module 18 with the harnesseffizien ⁇ th second group 42 with the switch cells 20c, 20d.
  • the switching cells 20a-20d may be selected differently such that the switching cells 20a, 20b or 20c, 20d of the various groups 41, 42 via different communication channels are controlled Kings ⁇ nen.
  • the switching cells 20a, 20b of the first group 41 are electrically driven, while the switching cells 20c, 20d of the second group 42 are optically driven.
  • the switching cells 20a-20d may be selected differently such that the switching cells 20a, 20b, 20c, 20d of the various groups 41, 42 are based on different semiconductor switch technologies.
  • the switching cells 20a, 20b of the first group 41 may be MOSFET cells, while the switching cells 20c, 20d of the second group 42 may be IGBT cells. It is also conceivable that the cells of a group are based on different semiconductor switch technologies. Since each cell 20a-20d is separately controllable, the module 18 with the aid of
  • Control 5 depending on the situation, use the best technology.
  • the controller may operate to turn on a MOSFET based switch cell 20a, 20b just before an IGBT based switch cell 20c, 20d to avoid the high turn on losses of the IGBT.
  • the IGBT cell 20c, 20d can be switched on with low loss and take over the current because of its good conducting properties.
  • the switching off of the module 18 is initiated by the low-loss switching off of the IGBT cell 20c, 20d.
  • FIG. 3 shows a semiconductor module 18 in a modification modified to the effect that not all switching cells 20a-20d are assigned a fuse 22.
  • the switching cells 20a, 20c are each assigned its fuse 22, while the switching cells 20b, 20d are integrated into the module 18 without a fuse.
  • the module 18 can be used in normal operation with fuse 22 and only in case of failure is an unsecured switching cell 20b, 20d ⁇ controls or used.
  • Each switching cell 20a-20d can be optimized with respect to the switching behavior by the respective gate driver circuit, for example by adjusting the gate resistances, the gate voltage, the maximum gate current, etc.
  • each switching cell 20a-20d of the module 18 can be achieved in order to limit voltage spikes due to different parasitic inductances, and to completely exhaust the limits of each switching cell 20a-20d of the module 18.
  • Such gate drive circuits are, for example, on a separate board arranged, which lies very close to the supplied ⁇ hearing module in order to minimize parasitic effects.
  • the controller 5 supplies the gate driver circuit with corresponding control signals.
  • Each switching cell 20a-20d can also, by specially abandonedleg ⁇ te gate driver circuits, a certain Wegschwindig ⁇ speed (di / dt and dv / dt) can be assigned, which is depending on the Ar ⁇ beitsddling used.
  • a certain GmbHgeschwindig ⁇ speed di / dt and dv / dt
  • the flexible structure of the module 18 also allows the sepa ⁇ rATOR fuse of diode and switching cell.
  • the number of switching cells and the number of diodes can also be different.
  • a module could consist of five active switching cells (eg IGBTs) and two diodes if, in a previous analysis, diodes have been shown to have a much lower probability of failure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

The invention relates to a semiconductor module for a power electronics circuit having a plurality of power electronics switch cells connected in parallel, wherein different switch cells of the plurality of switch cells are assigned to different groups of switch cells such that any given group of switch cells comprises at least one switch cell, but not all switch cells. Each of the switch cells comprises an individual gate connection g for the individual control of the respective switch cell, wherein gate connections of different switch cells are not directly connected to each other and therefore the different switch cells of the module can be actuated by a control independently of each other by means of individual gate signals.

Description

Beschreibung description
Halbleitermodul Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul für eine Semiconductor module The invention relates to a semiconductor module for a
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. Power electronics circuit, which should be used in particular for an electric or hybrid-electric drive system for an aircraft. For propulsion of aircraft such as aircraft or helicopters, concepts based on electric or hybrid-electric propulsion systems are being investigated and used as an alternative to the conventional internal combustion engines. Such a drive system generally has at least one electric machine, which is operated to drive the propulsion means of the aircraft as an electric motor. Further, a source of electrical energy for supplying the electric motor as well as a rule are a Leis ¬ consumer electronics provided by means of which the electric motor is operated. In the case of a hybrid electric drive system, furthermore, an internal combustion engine is provided, which, for example, is serially integrated into the drive system and, for example, drives a generator, which in turn provides electrical energy stored in a battery and / or supplied to an electric motor can be. Depending on the configuration of the system, the power electronics connected upstream of the electric motor can be embodied as rectifiers, inverters or frequency converters and provide the electric motor with the electrical energy required for its operation in the suitable form.
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 . When electrically operating the aircraft, a fault in the drive system can result in a crash of the aircraft result, coupled with corresponding risks to passen- gers and usually accompanied by considerable Sachschä ¬. In the electric drive system, a fault among others in the energy storage, which supplies the electrical energy for supplying the electric motor, in the electric motor and / or in the power electronics introduced above.
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. Such power electronics, which can be embodied as described above and in WO2016005092A1, for example as a power converter, typically has a plurality of power semiconductors, for example IGBTs (insulated gate bipolar transistor), MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor), diodes, etc. a failure in such power semiconductors, eg. caused by excessive currents to ho he ¬ frequencies, or by internal defects, resulting in a power converter that has no redundancy, directly to the failure of the entire converter. For applications where availability and reliability are essential, it is essential to develop redundant designs.
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 . A pragmatic approach is to provide the inverter as a whole at least twice, in order to activate the other inverter in case of failure of one of the two inverters, so that this takes over the function of the failed first inverter. This approach has the disadvantage that weight, cost and volume of the system greatly raised stabili ¬ 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. Another possibility is eg. In WO2016 / 005166A1 be ¬ wrote. There it is proposed to provide the power semiconductors of the inverter several times. This is realized by redundantly implemented modules, wherein the individual power semiconductors of a common, non-redundant converter are replaced by these modules, wherein in a respective module several power semiconductors or switching cells possibly including a corresponding fuse summarized and their gate terminals simultaneously be controlled. If one of the power semiconductor module, a functi ¬ on the module and thus the inverter is maintained, since one of the further power semiconductor module assumes the role of the failed power semiconductor. Despite this measure, However, in order to increase the availability, errors, for example in the gate control of the switching cells, can still lead to the failure of an entire module. It is therefore an object of the invention to provide a way to improve the reliability of a power electronics circuit.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebenen Halbleitermodul sowie durch das in Anspruch 9 beschriebeneThis object is achieved by the semiconductor module described in claim 1 and by the method described in claim 9
Betriebsverfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen. Operating procedure solved. The subclaims describe advantageous embodiments.
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 . A semiconductor module has a multiplicity of power electronic switching cells connected in parallel, wherein different switching cells of the plurality of switching cells are assigned to different groups of switching cells in such a way that each group of switching cells has at least one switching cell, but not all switching cells. Each of the switching cells has an individual gate connection g for individually controlling the respective switching cell, wherein gate connections of different switching cells are not directly connected to each other, so that the different switching cells of the module can be controlled independently of one another by individual gate signals are. Consequently, the semiconductor module has a number of terminals corresponding to the number of switching cells for connecting the individual gate terminals to the controller. The term "not directly connected" is intended to indicate that a control signal from the controller, which is supplied to a first switch cell does not automatically also achieved ei ¬ ne second Sachaltzelle of the module. The switching cells are indeed substantially directly connected to the controller, not Of course, it is not excluded that the second switch cell receives the same control signal as the first switch cell, but this is only possible on the way that the controller controls this Control signals individually to the second switching cell ¬ leads.
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. The inventive concept underlying this is that a power electronics circuit is configured such that the circuit comprises a plurality of semiconductor modules, wherein in each of the semiconductor modules more switching cells or Leis ¬ semiconductor processing are integrated. Each switching cell, for example an IGBT or a MOSFET, has, inter alia, a gate connection or contact, wherein the individual gate connections of the different switching cells of the respective module can be controlled individually and basically independently of one another by a control of the power electronics circuit. An important point here is that a switching cell is a single IGBT or MOSFET or similar. is, but not an interconnection of several such semiconductors. The number of separate switching cells is arbitrary in each module and can be selected depending on Redun ¬ danzbedarf. In contrast to modules in which a plurality of parallel switched ¬ te switching cells are driven with only one, common gate signal, each cell can be switched or controlled individually by means of a separate gate signal in this realization. As a result, errors that affect the gate drive itself, for example, a failure of the gate driver of one of the switching cells, not directly to the failure of the module, since not every cell is affected by this error.
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 If, for special applications, an advantage results from the fact that all the switching cells are operated in parallel, that is to say all switching cells or their gate connections are switched in the same way, as in FIG
WO2016/005166A1 vorgeschlagen, so ist dies mit den hier beschriebenen Modulen nach wie vor möglich. WO2016 / 005166A1, this is still possible with the modules described here.
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. It can be provided a sensor which thermally monitors each group of switching cells individually thermally, wherein the individual control of the various switching cells in Depending on a respective result of the thermal monitoring takes place. For example. If, for one group, an increased, possibly critical temperature is determined, this group can be deactivated and another group activated.
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. In this context, the number of thermal cycles in the active and / or deactivated state can also be monitored for the switching cells. This allows on the one hand that a uniform loading of different switching groups of cells is ensured and can be used for maintenance of the modules also by means of lifetime ¬ model.
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. It is provided a variety of cooling circuits for cooling the switching cells, wherein the cooling circuits are arranged to ¬ such that different cooling circuits cool different groups of switching cells. The controller is then set up to control the various cooling circuits in such a way that an operating switching cell is cooled more strongly than a switching cell not in operation. The cooling is therefore activated for those groups that are in operation at a particular time and throttled for those groups that are not in operation at the time.
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. The use of such cooling circuits in turn increases the redundancy in the cooling system and, secondly, reduces the influence of thermal cycles which influence the life of a semiconductor module, which has a positive effect on the service life. There are portions or Schaltzel ¬ len that are active, targeted cooled while the cooling of the ranges or switching cells, which is not active, targeted ge ¬ is throttled in order to know the semiconductor for example. No additional passive temperature fluctuations when by changed ambient conditions should change the temperature of the cooling medium. At least some of the switching cells advantageously have different dielectric strengths. Cosmic radiation is a source of interference, especially in aviation, which can lead to the failure of power electronic converters. To minimize the influence of the radiation, power modules are typically utilized only to a certain degree of their specified withstand voltage (eg up to 40% -60%), which leads to a considerable oversizing of the converter. In addition, the required high dielectric strength of the switching cells comes at the expense of higher Leit ¬ losses, which reduces the efficiency of the inverter. The modules presented here could consist of switching cells of different voltage strengths, which are then controlled at the respective operating point in such a way that either switching cells are activated whose behavior is optimized for immunity to cosmic radiation or switch cells that are fully utilized and thus the efficiency improve the converter. In this case, the controller is set up in such a way that the switching cells are controlled or operated in such a way that either switching cells are activated whose behavior is optimized for the greatest possible degree of immunity to cosmic radiation, or switching cells are activated which can be used up to their maximum dielectric strength.
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 . Advantageously, different switching cells via un ¬ terschiedliche communication channels are controlled. For example. one group of switch cells is electrically driven, while another group is optically driven. This also has a positive effect on the degree of redundancy of the semiconductor module.
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. Furthermore, different switching cells may have different switching speeds and / or be based on different semiconductor technologies. A module can therefore consist of different semiconductor switch technologies. It is thus conceivable, for example, for an IGBT cell to be parallel to a MOSFET cell is arranged. Since each cell is separately controllable, the module can connect the best of the two technologies. The switching cells can also be assigned in each case a fuse, wherein the fuse is in each case designed and interconnected with the associated switching cell that at overcurrent load of the fuse associated switching cell, the respective switching cell is functionally separated from the module, ie the respective fuse blows. The Siche ¬ approximations can, for example, from one or more bond wires are made to separate in case of current stress the corresponding cell from the module. The separate control of each switching cell and each cell could be a different Si insurance and an individual current capacity supplied ¬ item. Thus, the value of the overcurrent shutdown can be changed during operation by means of the correct gate signal control depending on the application or operating point. In one embodiment, not all, but at least one of the switching cells each associated with a fuse, each of said fuses is constructed and interconnected with the at ¬ parent switching cell, that in Überstrombe ¬ anspruchung of the associated fuse switch cell the respective switch cell functionally from Module is disconnected, and wherein the controller is arranged such that in a normal operation of the semiconductor module only switching cells are used, which is associated with a fuse, and only in the presence of a fault in the semiconductor module, a switching cell is used without associated fuse. For example. ¬ can be here at various cubicles with fuses equipped kitchens ¬ tet that trigger at different current levels.
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 . In a method for operating a power electronics circuit with such a semiconductor module, therefore, at least at times, if not constantly, different switching cells of the semiconductor module are driven simultaneously with different control signals. Each group of switching cells can be monitored individually thermally, in which case the individual control of the various switching cells takes place as a function of a respective result of the thermal monitoring.
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. Advantageously, the groups of switching cells can be operated alternately such that in a first time period only a first group of switching cells is operated, while a second group of switching cells is not operated in the first time period. Consequently, in a second period following the first period, only the second group of switching cells is operated, while the first group of switching cells is not operated in the second period, and so on.
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. By alternately operating the individual switching cells or groups of switching cells, thermal balancing of the module can be achieved and thus the reliability of the module can be improved. The respective subset of the cells which are put into operation at the same time can also be advantageously distributed thermally on the module. The terms "run" or "in use" or "acti ¬ fourth" etc. are to be understood as that a for example. "Rate at work ¬" switch cell from the controller located so attached is ¬ controlled to be the intended Task completed. It will therefore be present at the gate terminal of a switching cell in operation a corresponding kind of control signal. If a switching cell is not in operation, there will typically be no signal at the gate terminal.
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 . In contrast to the aforementioned possibility of achieving redundancy by adding a further converter, weight saving can be achieved on account of the compact module structure presented here and the resulting converter design, since housing, wiring, carrier germaterialien and gate driver circuits can be saved.
Das Design der Gate-Treiberschaltungen des hier beschriebenen Moduls kann in mehrerer Hinsicht die Zuverlässigkeit erhöhen: The design of the gate driver circuits of the module described herein can increase reliability in several ways:
Die einzelnen Schaltzellen können mit unterschiedlichen Kommunikationskanälen angesteuert werden. Bspw. wird eine Gruppe von Schaltzellen elektrisch angesteuert, während eine andere Gruppe optisch angesteuert wird. The individual switching cells can be controlled with different communication channels. For example. one group of switch cells is electrically driven, while another group is optically driven.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung. Further advantages and embodiments will become apparent from the drawings and the corresponding description.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. In the following the invention and exemplary embodiments will be explained in more detail with reference to drawings. There, the same components in different figures are identified by the same reference numerals.
Es zeigen: Show it:
FIG 1 eine schematische Darstellung eines Umrichters, 1 shows a schematic representation of an inverter,
FIG 2 ein Modul des Umrichters in einer ersten Ausführung, 2 shows a module of the converter in a first embodiment,
FIG 3 das Modul in einer Weiterbildung. 3 shows the module in a development.
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. 1 shows the power electronics circuit 1 known from WO2016005092A1 and designed there as a converter, which has a rectifier 2, an intermediate circuit 3, an inverter 4 and a control device 5. Via the converter 1, a voltage source 6 (for example an electric generator) and an electrical consumer 7 (for example an electric motor) can be coupled together. The voltage source 6 can be connected to the rectifier 2 via phase lines 8. The consumer 7 can be connected via phase lines 9 to the inverter 4 be. AC voltages of different phases can be transmitted in each case via the phase lines 8, 9.
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. From the AC voltages of the phase lines 8, a DC voltage 10 can be generated by the rectifier 2, which is fed into the DC link 3. The intermediate ¬ circle 3 may have a positive line 11 and a minus line 12, between which the DC voltage 10 is applied. The positive lead 11 and the negative lead 12 can terie a Bat-13 may be an intermediate circuit capacitor 14 and coupled through which an intermediate circuit capacitance C bereitge ¬ represents is. The plus line 11 and the minus line 12 couple the rectifier 2 and the inverter 4, respectively. The plus line 11, the minus line 12 and the phase lines 8, 9 may each be provided, for example, by a wire or a bus bar.
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. During operation of the converter 1, the converter 1 converts the alternating voltages in the phase conductors 8 into alternating voltages, which are supplied to the load 7 via the phase conductors 9.
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. The rectifier 2 and the inverter 4 each have half bridges 17, each of which connects or connects the plus line 11 and the minus line 12 to another one of the phase lines 9. For clarity, only two of the half bridges 17 are provided with a reference numeral. Each half-bridge 17 may include two switch assemblies 18, have ¬ 19th At each half-bridge 17, the switch arrangement 18 connects the plus line 11 to the respective phase line 9. The switch arrangement 19 connects the minus line 12 to the same phase line 9. By alternately switching the switch arrangements 18, 19 in the rectifier 2, the process is performed in a manner known per se an AC voltage of one of the phase conductors 8, the DC voltage 10 is generated. By alternately switching the switch assemblies 18, 19 in the changeover Judge 4 is impressed or generated in a conventional manner from the DC voltage 10 in each case a phase conductor 9, an AC voltage. The rectifier 2 and the inverter 4 may have the same circuit topology, ie they may be of identical construction.
Zum Bereitstellen der besagten Redundanz sind bei dem Gleich- richter 2 und dem Wechselrichter 4 die SchalteranordnungenFor providing the said redundancy, the rectifier 2 and the inverter 4 have the switch arrangements
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. 18, 19 each formed as semiconductor modules, which as ¬ rin manifests itself in that each semiconductor module 18, 19, a plurality Leis ¬ tung semiconductor or switching cells 20, 21 has. Each switching cell 20, 21 is a separate fuse 22 connected in series. In each switch assembly 18, 19 so a parallel circuit of a plurality of series circuits or switching branches Z is provided, each switching branch Z is formed on the basis of a switching cell 20, 21 and a fuse 22. Each switching cell 20, 21 may, for example, be designed as an IGBT or MOSFET.
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. For controlling the switch arrangements 18, 19 of the half bridges 17, common control terminals G of the switch arrangements 18, 19 are used in WO2016005092A1. A respective control connection G of each switch arrangement 18, 19 is coupled on the one hand to the control device 5 and on the other hand to gate inputs g of the switch cells 20, 21 of the respective switch arrangement 18, 19, so that all switch cells 20, 21 of a respective switch arrangement 18, 19 receive the same control signals. The sake of completeness angedeu ¬ tet for one of the switching devices 18 of the inverter 4, in addition to the common control terminal G, this also has a common collector terminal C and an emitter terminal E the Common ¬ men. The same applies to the remaining switching arrangements 18, 19 of the inverter 4 and the rectifier 2, but is not shown for the sake of clarity. In FIG. 1, each module 18, 19 is equipped with two switch cells 20, 21, but it is conceivable that more than two switch cells per module are provided to further improve the redundancy or the reliability. These would be connected in an analogous manner, that is, the emitter contacts e of the switching cells would be connected to the common emitter terminal E of the module, the collector contacts k of the switching ¬ cells would be connected to the common collector terminal C of the module and the gate-input g of the circuit cells would connected to the common gate or control terminal G of the module.
Zur weiteren Erläuterung der Funktionsweise dieses bekannten Umrichters sei auf die WO2016005092A1 verwiesen. For further explanation of the operation of this known converter, reference is made to WO2016005092A1.
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. FIG. 2 shows a modification of the power electronics circuit 1 shown in FIG. 1, in particular with respect to the semiconductor modules 18, 19. Since these modules 18, 19 are constructed identically, the module 18 will be described below by way of example, the explanations regarding the structure and mode of operation apply in the same way for the module 19.
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 desThe module 18 has, by way of example, four switching cells 20a, 20b, 20c, 20d, whose collector contacts in turn fuses on Si 22 are connected to the common collector terminal K of Mo ¬ duls 18th Of course, in turn, more or less than four switching cells 20 may be provided. The emitter contacts e of the switching cells 20a, 20b, 20c, 20d are also connected to the common emitter terminal E of the module 18 as in FIG. Unlike the execution of the
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 Module 18 of Figure 1, however, the gate or control are now contacts ¬ g of switching cells 20a, 20b, 20c, 20d no longer connected to each other and no longer with the common control terminal of the module. Consequently, the semiconductor module 18 has a number of terminals ga, gb, gc, gd corresponding to the number of switching cells 20a-20d for connecting the individual gate terminals g to the controller 5. Advantageously, the gate contacts g are the Switching cells 20a, 20b, 20c, 20d connected via the terminals or Kon ¬ clocks ga, gb, gc, gd of the module 18 to the controller 5 such that the controller 5, the switching cells 20a, 20b, 20c, 20d independently and individually can drive. The semiconductor module 18 thus comprises a plurality of parallel-connected power electronic switching cells 20a, 20b, 20c, 20d, each having an individual gate connection g for the individual control of the respective
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. Switching cell 20a, 20b, 20c, 20d, wherein the switching cells 20a, 20b, 20c, 20d of the module 18 by the controller 5 are independently controllable with individual, possibly different gate or control signals.
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 SchaltzelleThe separate control of the individual switching cells 20a, 20b, 20c, 20d by the controller 5 leads to an increase in the degree of freedom with respect to the stress of the module 18. In addition to the general improvement in redundancy, the increased flexibility results in further advantages. For example, the controller 5 may be configured such that only some of the switching cells 20a-20d, but not all, are used in the operation of the converter 1. Thus, only part of the switching cells 20a-20d of the module 18 are operated simultaneously. For example. can each switching cell 20a, 20b, 20c, 20d are thermally monitored using ent ¬ speaking sensors 31 and spruchung protected or charged depending on the stresses. The sensors 31 are connected to the controller 5, so that these ansteu ¬ ren, the switch cells 20a-20d in response to the sensor data suitable. For example. this can be made such that when Sensorda ¬ th, suggesting 20a to an elevated critical temperature of the cubicle, the controller 5, the switching cell
20a zumindest vorübergehend deaktiviert und statt dessen eine oder mehrere der anderen Schaltzellen 20b-20d einsetzt. 20a at least temporarily deactivated and instead uses one or more of the other switching cells 20b-20d.
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. The FIG 2 further indicates that the switching cells 20a-20d may be assigned to different groups 41, 42 of switching cells. Each group 41, 42 of switching cells has at least one of the switching cells 20a-20d of the module 18, but not all of the switching cells 20a-20d of the module 18. For example, a first group 41 comprises the switching cells 20a, 20b, while a second group 42 comprises the switching cells 20c, 20d. However, the assignment of switching cells 20a-20d to the groups 41, 42 can be adapted at any time by means of the controller in a suitable manner. As well have introduced additional groups as required or assigned to existing groups are removed using the Steue ¬ tion.
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 dieThe controller 5 may be configured such that the Grup ¬ pen 41, 42 are operated alternately by switching cells. That is, in a first period, only the switching cells 20a, 20b of the first group 41 are used while the switching cells 20c, 20d of the second group 42 are not active. In a subsequent second period, on the other hand, only the switching cells 20c, 20d of the second group 42 are used while the switching cells 20a, 20b of the second group 41 are not active, etc. For the sake of clarity, it will be understood that this mode of operation also includes the option that the individual switching cells 20a-20d of the module 18 are alternately be ¬ exaggerated, since the above definition of "group" which also provides for the case that the groups each have only a single switching cell. This would mean that, for example, first the switch cell 20a, then the cell 20b, then the
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. Cell 20c, and finally the cell is activated 20d, currency ¬ rend each other cells are not used. It is also conceivable that, for example, the cells 20a, 20b each form an egg ¬ gene group for themselves, while the cells 20c, 20d are assigned to a common group, and that these three groups are operated alternately.
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. With regard to the thermal monitoring described above, it should be noted that it may be sufficient if necessary, that not necessarily each switching cell 20a-20d is thermally monitored, but only one switching cell per group. The described alternating operation of the groups 41, 42 he ¬ laubt a thermal balancing of the module 18 and thus egg ¬ ne further improvement of the reliability of the module 18. The respective subset of the switching cells which are associated with a common men group and accordingly gleichzei ¬ tig be put into operation, can be distributed thermally advantageous on the module 18.
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 geeignetenIn an advantageous development, a plurality of cooling circuits 51, 52 for cooling the switching cells 20a-20d are present. For example. For each group 41, 42 an individually assigned and operated by the controller 5 as needed cooling circuit 51, 52 may be provided. The controller 5 is accordingly set up to control the various cooling circuits 51, 52 in such a way or with a suitable one
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. To apply cooling medium that for those groups 41, 42, which are in operation at a particular time, the cooling is activated and for those groups 41, 42, which may not be in operation at the time, the cooling is throttled ,
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. By this measure, the influence of thermal cycles that affect the life of a semiconductor module 18 can be reduced. The life span can also be positively influenced by adapted, individual cooling, for example by selectively cooling the groups in operation, for example the first group 41, while selectively throttling the cooling of the groups which are not in operation, for example group 42 is, so that the individual switching cells 20a-20d, for example, learn no additional passive temperature fluctuations, if the temperature of the cooling medium should change due to changes in ambient conditions.
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. In addition, the separately controllable switch cell groups 41, 42 of the module 18 can be connected to a cooling plate (not shown) of different sizes, in order to find a compromise between common-mode EMC emissions and thermal connection. A big Although connection surface to the cooling plate guarantees good ther ¬ mical properties because of ei ¬ nes correspondingly low thermal resistance, but a high parasitic capacitance between the switching cell and heat sink, resulting in high common mode EMC emissions.
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 erstenIn order to address the harmful effects of cosmic radiation in addition to the mentioned thermal influences, the module has 18 switching cells of different dielectric strength. For example. For example, the switching cells 20a, 20b of the first
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. Group 41 may be designed so that they work reliably even at the expected he ¬ waiting strong cosmic radiation at high altitude. This requires that the switching cells 20a, 20b be allowed to operate only to a certain degree, for example 40-60%, of their specified dielectric strength, which ultimately means that they must be made very oversized in order to still provide the required power to be able to. The switching cells 20c, 20d of the second group 42, on the other hand, would be designed so that they can be fully utilized and exploited, which makes them less reliable for operation with appreciable cosmic radiation, but ver ¬ speaks at low altitudes that the module 18th and thus the inverter 1 operates with ho ¬ her efficiency.
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 . The controller 5 would thus operate the thus equipped first group 41 when the aircraft is at a level with significantly increased cosmic radiation, while dispensing with the use of the first group 41 due to the non-optimal efficiency when the altitude and thus the cosmic radiation is lower. In the latter case, the controller 5 would operate the module 18 with the hocheffizien ¬ th second group 42 with the switch cells 20c, 20d.
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. Alternatively or additionally, the switching cells 20a-20d may be selected differently such that the switching cells 20a, 20b or 20c, 20d of the various groups 41, 42 via different communication channels are controlled Kings ¬ nen. For example. For example, the switching cells 20a, 20b of the first group 41 are electrically driven, while the switching cells 20c, 20d of the second group 42 are optically driven.
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 derAlso alternatively or additionally, the switching cells 20a-20d may be selected differently such that the switching cells 20a, 20b, 20c, 20d of the various groups 41, 42 are based on different semiconductor switch technologies. For example. For example, the switching cells 20a, 20b of the first group 41 may be MOSFET cells, while the switching cells 20c, 20d of the second group 42 may be IGBT cells. It is also conceivable that the cells of a group are based on different semiconductor switch technologies. Since each cell 20a-20d is separately controllable, the module 18 with the aid of
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. DerControl 5, depending on the situation, use the best technology. For example. For example, the controller may operate to turn on a MOSFET based switch cell 20a, 20b just before an IGBT based switch cell 20c, 20d to avoid the high turn on losses of the IGBT. As soon as the voltage across the MOSFET cell 20a, 20b has dropped, the IGBT cell 20c, 20d can be switched on with low loss and take over the current because of its good conducting properties. The switching off of the module 18 is initiated by the low-loss switching off of the IGBT cell 20c, 20d. Of the
Strom kommutiert dann kurzfristig zur MOSFET-Schaltzelle 20a, 20b, bevor diese dann abgeschaltet werden kann. Current then commutes briefly to the MOSFET switching cell 20a, 20b, before it can then be turned off.
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. FIG. 3 shows a semiconductor module 18 in a modification modified to the effect that not all switching cells 20a-20d are assigned a fuse 22. In the example shown, only the switching cells 20a, 20c are each assigned its fuse 22, while the switching cells 20b, 20d are integrated into the module 18 without a fuse. As a result, the module 18 can be used in normal operation with fuse 22 and only in case of failure is an unsecured switching cell 20b, 20d ¬ controls or used. Each switching cell 20a-20d can be optimized with respect to the switching behavior by the respective gate driver circuit, for example by adjusting the gate resistances, the gate voltage, the maximum gate current, etc. Thus, a development of the switching speed within the Module 18 can be achieved in order to limit voltage spikes due to different parasitic inductances, and to completely exhaust the limits of each switching cell 20a-20d of the module 18. Such gate drive circuits are, for example, on a separate board arranged, which lies very close to the supplied ¬ hearing module in order to minimize parasitic effects. The controller 5 supplies the gate driver circuit with corresponding control signals. Each switching cell 20a-20d can also, by specially ausgeleg ¬ te gate driver circuits, a certain Schaltgeschwindig ¬ speed (di / dt and dv / dt) can be assigned, which is depending on the Ar ¬ beitspunkt used. Thus, no compromise between ¬ switching losses and permissible EMC emissions must be received, but you can operate the module 18 depending on the requirements in the optimal operating mode.
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. The flexible structure of the module 18 also allows the sepa ¬ rierte fuse of diode and switching cell. Depending on the failure rate, the number of switching cells and the number of diodes can also be different. For example, a module could consist of five active switching cells (eg IGBTs) and two diodes if, in a previous analysis, diodes have been shown to have a much lower probability of failure.

Claims

Patentansprüche claims
1. Halbleitermodul (18), welches eine Vielzahl von parallel geschalteten leistungselektronischen Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) aufweist, wobei verschiedene Schaltzellen (20a,1. Semiconductor module (18) which has a multiplicity of power electronic switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) connected in parallel, wherein different switching cells (20a,
20b, 20c, 20d) der Vielzahl von Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) derart verschiedenen Gruppen (41, 42) von Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) zugeordnet sind, dass eine jede Gruppe (41, 42) von Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) zumindest eine Schaltzelle (20a, 20b, 20c, 20d) aufweist, nicht aber alle Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) , wobei 20b, 20c, 20d) of the plurality of switch cells (20a, 20b, 20c, 20d) are assigned to different groups (41, 42) of switch cells (20a, 20b, 20c, 20d) such that each group (41, 42) of switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) at least one switching cell (20a, 20b, 20c, 20d), but not all switching cells (20a, 20b, 20c, 20d), wherein
- jede der Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) einen individu¬ ellen Gate-Anschluss (ga, gb, gc, gd) zur individuellen Steuerung der jeweiligen Schaltzelle (20a, 20b, 20c, 20d) aufweist, - each of the switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) a individu ¬ economic gate terminal (ga, gb, gc, gd) (, 20d 20a, 20b, 20c) for individually controlling the respective switching cell,
- Gate-Anschlüsse (ga, gb, gc, gd) verschiedener Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) nicht direkt miteinander verbunden sind, so dass die verschiedenen Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) des Halbleitermoduls (18) von einer Steuerung (5) unabhängig voneinander mit individuellen Gate-Signalen ansteuerbar sind.  Gate terminals (ga, gb, gc, gd) of different switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) are not directly connected to each other, so that the different switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) of the semiconductor module (18) of a controller (5) are independently controllable with individual gate signals.
2. Halbleitermodul (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorik (31) vorgesehen ist, die eine jede Gruppe (41, 42) von Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) individuell thermisch überwacht, wobei die individuelle Ansteuerung der verschiedenen Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) in Abhängigkeit von einem jeweiligen Ergebnis der thermischen Überwachung erfolgt. 2. The semiconductor module (18) according to claim 1, characterized in that a sensor (31) is provided which individually thermally monitors each group (41, 42) of switching cells (20a, 20b, 20c, 20d), wherein the individual control the various switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) is effected as a function of a respective result of the thermal monitoring.
3. Halbleitermodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da¬ durch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kühlkreisläufen (51, 52) zur Kühlung der Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) vorhanden ist, wobei die Kühlkreisläufe (51, 52) derart ange- ordnet sind, dass verschiedene Kühlkreisläufe (51, 52) ver¬ schiedene Gruppen (41, 42) von Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) kühlen. 3. The semiconductor module (18) according to any one of claims 1 to 2, characterized in ¬ ¬ characterized in that a plurality of cooling circuits (51, 52) for cooling the switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) is provided, wherein the cooling circuits (51 , 52) are arranged so reasonable that various cooling circuits (51, 52) ver ¬ different groups (41, 42) of switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) to cool.
4. Halbleitermodul (18) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (5) eingerichtet ist, um die ver¬ schiedenen Kühlkreisläufe (51, 52) derart zu steuern, dass eine in Betrieb befindliche Schaltzelle (20a, 20b, 20c, 20d) stärker gekühlt wird als eine nicht in Betrieb befindliche Schaltzelle (20a, 20b, 20c, 20d) . 4. The semiconductor module (18) according to claim 3, characterized in that the controller (5) is set up in order to control the different cooling circuits (51, 52) in such a way that an operating switching cell (20a, 20b, 20c, 20d) is cooled more than a non-operating switching cell (20a, 20b, 20c, 20d).
5. Halbleitermodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da¬ durch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) der Vielzahl von Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) verschiedene Spannungsfestigkeiten aufweisen. 5. The semiconductor module (18) according to one of claims 1 to 4, characterized in ¬ characterized in that at least some of the switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) of the plurality of switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) have different voltage strengths.
6. Halbleitermodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch gekennzeichnet, dass verschiedene Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) über unterschiedliche Kommunikationskanäle an¬ gesteuert werden. 6. The semiconductor module (18) according to any one of claims 1 to 5, since ¬ characterized in that different switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) are controlled via different communication channels to ¬ .
7. Halbleitermodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da¬ durch gekennzeichnet, dass verschiedene Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) unterschiedliche Schaltgeschwindigkeiten auf¬ weisen und/oder auf unterschiedlichen Halbleitertechnologien basieren . 7. The semiconductor module (18) according to any one of claims 1 to 6, since ¬ characterized by that various switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) have different switching speeds based on ¬ wise and / or in different semiconductor technologies.
8. Halbleitermodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da- durch gekennzeichnet, dass nicht allen, aber zumindest einer der Schaltzellen (20a, 20c) jeweils eine Sicherung (22) zugeordnet ist, wobei jede der Sicherungen (22) derart ausgelegt und mit der zugeordneten Schaltzelle (20a, 20c) verschaltet ist, dass bei Überstrombeanspruchung der der Sicherung (22) zugeordneten Schaltzelle (20a, 20c) die jeweilige Schaltzelle (20a, 20c) funktional vom Halbleitermodul (18) getrennt wird, und wobei die Steuerung (5) derart eingerichtet ist, dass in einem Normalbetrieb des Halbleitermoduls (18) nur Schaltzel¬ len (20a, 20c) verwendet werden, denen eine Sicherung (22) zugeordnet ist, und nur bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Halbleitermodul (18) eine Schaltzelle (20b, 20d) ohne zu¬ geordnete Sicherung verwendet wird. 8. The semiconductor module (18) according to any one of claims 1 to 7, character- ized in that not all, but at least one of the switching cells (20a, 20c) each have a fuse (22) is assigned, each of the fuses (22) in such a way is designed and connected to the associated switching cell (20a, 20c), that in case of overcurrent the fuse (22) associated switching cell (20a, 20c) the respective switching cell (20a, 20c) is functionally separated from the semiconductor module (18), and wherein the Control (5) is arranged such that in a normal operation of the semiconductor module (18) only Schaltzel ¬ len (20a, 20c) are used, which is associated with a fuse (22), and only in the presence of a fault in the semiconductor module (18) a Switching cell (20b, 20d) is used without ¬ orderly backup.
9. Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronikschaltung mit einem Halbleitermodul (18) nach Anspruch 1, wobei zumin¬ dest zeitweise verschiedene Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) des Halbleitermoduls (18) gleichzeitig mit verschiedenen Steuersignalen angesteuert werden. 9. A method for operating a power electronics circuit with a semiconductor module (18) according to claim 1, wherein at ¬ least temporarily different switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) of the semiconductor module (18) are simultaneously driven with different control signals.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine jede Gruppe (41, 42) von Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) individuell thermisch überwacht wird, wobei die indivi- duelle Ansteuerung der verschiedenen Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) in Abhängigkeit von einem jeweiligen Ergebnis der thermischen Überwachung erfolgt. 10. The method according to claim 8, characterized in that each group (41, 42) of switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) is individually thermally monitored, wherein the individual control of the various switching cells (20a, 20b, 20c , 20d) depending on a respective result of the thermal monitoring.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Gruppen (41, 42) von Schaltzellen11. The method according to any one of claims 8 to 10, character- ized in that the groups (41, 42) of switching cells
(20a, 20b, 20c, 20d) derart abwechselnd betrieben werden, dass (20a, 20b, 20c, 20d) are operated alternately such that
- in einem ersten Zeitraum nur eine erste Gruppe (41) von  in a first period only a first group (41) of
Schaltzellen (20a, 20b) betrieben wird, während eine zweite Gruppe (42) von Schaltzellen (20c, 20d) in dem ersten Zeitraum nicht betrieben wird,  Switching cells (20a, 20b) is operated, while a second group (42) of switching cells (20c, 20d) is not operated in the first period,
- in einem auf den ersten Zeitraum folgenden zweiten Zeitraum nur die zweite Gruppe (42) von Schaltzellen (20c, 20d) be¬ trieben wird, während die erste Gruppe (41) von Schaltzel- len (20a, 20b) in dem zweiten Zeitraum nicht betrieben wird . - in the first period following the second time period only the second group (42) of switching cells (20c, 20d) will be ¬ exaggerated, while the first group (41) of switching cells (20a, 20b) not in the second period is operated .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kühlkreisläufen (51, 52) zur Kühlung der Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) vorhanden ist, wobei die Kühlkreisläufe (51, 52) derart angeordnet sind, dass verschiedene Kühlkreisläufe (51, 52) verschiedene Gruppen (41, 42) von Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) kühlen, wobei eine in Betrieb befindliche Schaltzelle (20a, 20b, 20c, 20d) stärker gekühlt wird als eine nicht in Betrieb be¬ findliche Schaltzelle (20a, 20b, 20c, 20d) . 12. The method according to any one of claims 8 to 11, characterized in that a plurality of cooling circuits (51, 52) for cooling the switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) is provided, wherein the cooling circuits (51, 52) arranged such in that different cooling circuits (51, 52) cool different groups (41, 42) of switching cells (20a, 20b, 20c, 20d), wherein an operating switching cell (20a, 20b, 20c, 20d) is cooled more than one not in operation be ¬ sensitive switching cell (20a, 20b, 20c, 20d).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) so angesteuert werden, dass entweder Schaltzellen (20a, 20b, 20c, 20d) in Betrieb sind, deren Verhalten auf Immunität ge- gen kosmische Strahlung optimiert ist, oder Schaltzellen13. The method according to any one of claims 8 to 12, characterized in that the switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) are driven so that either switching cells (20a, 20b, 20c, 20d) are in operation, their behavior on immunity optimized against cosmic radiation, or switching cells
(20a, 20b, 20c, 20d) in Betrieb sind, die bis zu ihrer maxi¬ malen Spannungsfestigkeit nutzbar sind. (20a, 20b, 20c, 20d) are in operation, which are up to their maxi ¬ paint withstand voltage usable.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass nicht allen, aber zumindest einer der14. The method according to any one of claims 8 to 13, character- ized in that not all, but at least one of
Schaltzellen (20a, 20c) jeweils eine Sicherung (22) zugeord¬ net ist, wobei jede der Sicherungen (22) derart ausgelegt und mit der zugeordneten Schaltzelle (20a, 20c) verschaltet ist, dass bei Überstrombeanspruchung der der Sicherung (22) zu- geordneten Schaltzelle (20a, 20c) die jeweilige SchaltzelleSwitching cells (20a, 20c) each have a fuse (22) is zugeord ¬ net, each of the fuses (22) designed in such a way and with the associated switching cell (20a, 20c) is connected, that at overcurrent load of the fuse (22) ordered switching cell (20a, 20c), the respective switching cell
(20a, 20c) funktional vom Halbleitermodul (18) getrennt wird, und wobei die Steuerung (5) derart eingerichtet ist, dass in einem Normalbetrieb des Halbleitermoduls (18) nur Schaltzel¬ len (20a, 20c) verwendet werden, denen eine Sicherung zuge- ordnet ist, und nur bei Vorliegen eines Fehlerfalls im Halb¬ leitermodul (18) eine Schaltzelle (20b, 20d) ohne zugeordnete Sicherung verwendet wird. (20a, 20c) operatively from the semiconductor module (18) is disconnected, and wherein the controller (5) is arranged such that in a normal operation of the semiconductor module (18) only Schaltzel ¬ len (20a, 20c) are used, which added a fuse - is assigned, and only in the presence of a fault in the semiconductor ¬ conductor module (18) a switching cell (20 b, 20 d) is used without associated backup.
PCT/EP2018/051340 2017-01-25 2018-01-19 Semiconductor module WO2018138017A1 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017201176 2017-01-25
DE102017201176.9 2017-01-25
DE102017206553.2A DE102017206553A1 (en) 2017-01-25 2017-04-19 Semiconductor module
DE102017206553.2 2017-04-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018138017A1 true WO2018138017A1 (en) 2018-08-02

Family

ID=62813005

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/051340 WO2018138017A1 (en) 2017-01-25 2018-01-19 Semiconductor module

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017206553A1 (en)
WO (1) WO2018138017A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018213182A1 (en) * 2018-08-07 2020-02-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Control system for a motor vehicle and method for fault diagnosis in a control system
DE102022120996A1 (en) 2022-08-19 2024-02-22 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Operating an inverter with multiple semiconductor chips per circuit breaker

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001069784A1 (en) * 2000-03-15 2001-09-20 Ct-Concept Technologie Ag Method for operating a parallel arrangement of power semiconductor switches
EP1783885A2 (en) * 2005-11-05 2007-05-09 Semikron Elektronik GmbH & Co. KG Patentabteilung Drive circuit for controlling power electronic circuits
US20140091853A1 (en) * 2012-10-01 2014-04-03 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Switching circuit
US20150015998A1 (en) * 2013-07-09 2015-01-15 Remy Technologies, Llc. Solid state switch
WO2016005092A1 (en) 2014-07-09 2016-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Converter comprising redundant switch-fuse combinations and method for selective triggering of the fuse in the event of switch failure
WO2016005166A1 (en) 2014-07-09 2016-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Redundant power electronics circuit having parallel series circuits composed of a power semiconductor device and a circuit breaker
EP3021485A1 (en) * 2013-08-30 2016-05-18 AutoNetworks Technologies, Ltd. Semiconductor device
DE102014224169A1 (en) * 2014-11-26 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Method and device for driving parallel-connected power semiconductor switches

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19920505B4 (en) 1999-05-05 2004-05-27 Semikron Elektronik Gmbh Inverter with temperature balancing

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001069784A1 (en) * 2000-03-15 2001-09-20 Ct-Concept Technologie Ag Method for operating a parallel arrangement of power semiconductor switches
EP1783885A2 (en) * 2005-11-05 2007-05-09 Semikron Elektronik GmbH & Co. KG Patentabteilung Drive circuit for controlling power electronic circuits
US20140091853A1 (en) * 2012-10-01 2014-04-03 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Switching circuit
US20150015998A1 (en) * 2013-07-09 2015-01-15 Remy Technologies, Llc. Solid state switch
EP3021485A1 (en) * 2013-08-30 2016-05-18 AutoNetworks Technologies, Ltd. Semiconductor device
WO2016005092A1 (en) 2014-07-09 2016-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Converter comprising redundant switch-fuse combinations and method for selective triggering of the fuse in the event of switch failure
WO2016005166A1 (en) 2014-07-09 2016-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Redundant power electronics circuit having parallel series circuits composed of a power semiconductor device and a circuit breaker
DE102014224169A1 (en) * 2014-11-26 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Method and device for driving parallel-connected power semiconductor switches

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017206553A1 (en) 2018-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011089297B4 (en) Energy storage device, system with energy storage device and method for controlling an energy storage device
EP3143686A1 (en) Converter with redundant circuit topology
EP2764595B1 (en) Method for protecting an intermediate circuit capacitor in a power converter circuit
DE102011089648A1 (en) Energy storage device, system with energy storage device and method for driving an energy storage device
WO2018122094A1 (en) Low-volt decoupling from a modular energy store converter system
WO2017016674A1 (en) Individual module, electrical converter system, and battery system
DE102012205109B4 (en) Method for operating an energy storage device, energy storage device for generating a supply voltage for an electrical machine, and system with an energy storage device
EP1918192B1 (en) Submarine
DE102011006761A1 (en) Switching matrix of switching system, has switching devices that are arranged to switch supply terminals with respect to output ports in response to control signals to form series/parallel/bridging circuit with power sources
DE102012200577A1 (en) Motor vehicle, battery and method for controlling a battery
WO2018138017A1 (en) Semiconductor module
WO2009121575A2 (en) Battery charging device
DE102013201909A1 (en) Energy store device has control device that drives switch of respective associated energy store modules according to detected states of charge of energy store modules respectively before communication failure
DE102013202650A1 (en) Internal power supply of energy storage modules for an energy storage device and energy storage device with such
DE4435255A1 (en) Troubleshooting method in converter circuitry
DE212015000322U1 (en) Multilevel converter with redundancy module
DE102009025211A1 (en) Battery cell arrangement for traction battery of battery and hybrid vehicles, has fuse element assigned to serial cells to disconnect cell in case of failure of other cells, where failed cell is separated by fuse element
EP2608382A1 (en) Modular high frequency converter
DE102013218799A1 (en) Modular power converter
DE102011075414A1 (en) Energy storage unit for generating phase power supply in e.g. wind turbines, has energy storage modules connected to phase switching modules having coupling units adapted to receive supply terminals connected with power supply branches
WO2013092037A2 (en) Rectifier circuit
WO2012052224A1 (en) Method for controlling a battery with variable output voltage
DE102020214760A1 (en) Method for operating an energy storage system and energy storage system
DE102012222333A1 (en) Energy storage device for e.g. battery direct converter circuitry to supply power to switched reluctance machine in electrical propulsion system of hybrid car, has energy storage modules selectively switched or bypassed in supply branches
DE102011006755A1 (en) System for performing voltage conversion for photovoltaic modules, has multiple parallel switched power supply branches connected to phase connectors, where each power supply branch comprises power supply module connected in series

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18702161

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18702161

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1