DE102016216376A1

DE102016216376A1 - Power electronics circuit

Info

Publication number: DE102016216376A1
Application number: DE102016216376.0A
Authority: DE
Inventors: Marvin Tannhäuser
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2018041831A1

Abstract

Die Leistungselektronikschaltung weist mindestens einen Lastanschluss (LA) und mindestens ein stromkritisches Halbleiter-Leistungsbauteil (N) auf. Dabei weist die Leistungselektronikschaltung ein oder mehrere IGBT-Leistungsbauteil/e auf und es ist in jedem Strompfad mit einem Lastanschluss und einem stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteil stets ein IGBT-Leistungsbauteil (B) angeordnet. The power electronics circuit has at least one load connection (LA) and at least one current-critical semiconductor power component (N). In this case, the power electronics circuit has one or more IGBT power components, and an IGBT power component (B) is always arranged in each current path with a load connection and a current-critical semiconductor power component.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikschaltung. Typischerweise ist bei Leistungselektronikschaltungen eine Last an Leistungshalbleiterbauteile angeschlossen. The invention relates to a power electronics circuit. Typically, in power electronics circuits, a load is connected to power semiconductor devices.

Ein Beispiel zeigt 1: Hier ist eine Last L mittels zweier Leistungshalbleiterbauteile, im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels zweier Galliumnitrid-Leistungsbauteile (Galliumnitrid = GaN), an einen Gleichspannungszwischenkreis G elektrisch angeschlossen. An example shows 1 Here, a load L by means of two power semiconductor devices, in the embodiment shown by means of two gallium nitride power components (gallium nitride = GaN), electrically connected to a DC voltage intermediate circuit G.

Im Fehlerfall der angeschlossenen Last L, insbesondere bei einem Kurzschluss, entsteht ein Kurzschlussstrom I_sc, welcher sehr viel größer ist als ein Ausgangsstrom I_out im Normalbetrieb. Die Leistungshalbleiterbauteile stehen somit stets in Gefahr, bei einem Fehlerfall der Last L zerstört zu werden. In the event of a fault of the connected load L, in particular in the case of a short circuit, a short-circuit current I _sc arises, which is much greater than an output current I _out during normal operation. The power semiconductor components are thus always in danger of being destroyed in the event of a fault of the load L.

Grundsätzlich ist es bekannt, Leistungselektronikschaltungen im Fehlerfall rasch abzuschalten. Dies ist jedoch nicht immer einfach oder zuverlässig möglich. In principle, it is known to switch off power electronics circuits quickly in the event of a fault. However, this is not always easy or reliable possible.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leistungselektronikschaltung bereitzustellen, welche zerstörungssicher und zugleich leistungsfähig ausbildbar ist. It is therefore an object of the invention to provide a power electronics circuit which is non-destructive and at the same time powerful formable.

Diese Aufgabe wird mit einer Leistungselektronikschaltung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. This object is achieved with a power electronics circuit having the features specified in claim 1. Preferred embodiments of the invention will become apparent from the accompanying dependent claims, the following description and the drawings.

Die erfindungsgemäße Leistungselektronikschaltung weist mindestens einen Lastanschluss und mindestens ein stromkritisches Halbleiter-Leistungsbauteil auf. Dabei weist die Leistungselektronikschaltung ein oder mehrere IGBT-Leistungsbauteil/e auf und es ist in jedem Strompfad mit einem Lastanschluss und einem stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteil ein IGBT-Leistungsbauteil angeordnet. Zweckmäßig ist die Leistungselektronikschaltung nichttrivial aufgebaut, d.h. es sind zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei und insbesondere zumindest vier Strompfade mit einem Lastanschluss und mindestens einem stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteil vorhanden. Zweckmäßig sind mehr als ein stromkritisches Halbleiter-Leistungsbauteil vorhanden, vorzugsweise mindestens zwei, mindesten drei oder mindestens vier. The power electronics circuit according to the invention has at least one load connection and at least one current-critical semiconductor power component. In this case, the power electronics circuit has one or more IGBT power components and an IGBT power component is arranged in each current path with a load connection and a current-critical semiconductor power component. Conveniently, the power electronics circuit is nontrivial, i. there are at least two, preferably at least three and in particular at least four current paths with a load connection and at least one current-critical semiconductor power component. Suitably more than one current-critical semiconductor power device is present, preferably at least two, at least three or at least four.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass IGBT-Leistungsbauteile als strombegrenzende Bauteile dienen können, etwa im Falle eines Kurzschlussstroms. IGBT-Leistungsbauteile weisen einen sogenannten „aktiven Bereich“ auf, welcher auch „Entsättigungsbereich“ genannt wird (s. beispielsweise Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Tobias Reinmann, Werner Turskey, Applikationshandbuch Leistungshalbleiter, Nürnberg: Verlag ISLE, Betriebsstätte des ISLE e.V., 2010 (ISBN: 978-3-938843-85-7) ). The invention is based on the idea that IGBT power components can serve as current-limiting components, for example in the case of a short-circuit current. IGBT power devices have a so-called "active region", which is also called "desaturation region" (see, for example, US Pat Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Tobias Reinmann, Werner Turskey, Application Manual Power Semiconductors, Nuremberg: ISLE Publishing House, Establishment of ISLE eV, 2010 (ISBN: 978-3-938843-85-7) ).

Kurzfristig kann ein IGBT-Leistungsbauteil in diesem Entsättigungsbereich betrieben werden, ohne dass die entstehende Verlustleistung das IGBT-Leistungsbauteil zerstört. Ein solcher Betrieb wäre mit einem GaN-HEMT-Leistungsbauteil allein nicht möglich. In the short term, an IGBT power device can be operated in this desaturation range without the resulting power dissipation destroying the IGBT power device. Such operation would not be possible with a GaN HEMT power device alone.

Durch die Kombination der Eigenschaften der stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteile mit IGBT-Leistungsbauteilen lassen sich solche stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteile einsetzen und es ist gleichzeitig eine Kurzschlussfestigkeit der Leistungselektronikschaltung gewährleistet. The combination of the properties of the current-critical semiconductor power components with IGBT power components makes it possible to use such current-critical semiconductor power components and at the same time ensures short-circuit strength of the power electronics circuit.

Vorteilhaft wird die Kombination der Eigenschaften der stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteile mit jenen von IGBT-Leistungsbauteilen allein durch den Schaltungsaufbau selbst bewerkstelligt. Zusätzliche Hard- oder Software ist nicht erforderlich. Folglich ist die Implementierung der erfindungsgemäßen Lösung einfach und kostengünstig. Advantageously, the combination of the properties of the current-critical semiconductor power devices with those of IGBT power devices is accomplished solely by the circuitry itself. Additional hardware or software is not required. Consequently, the implementation of the solution according to the invention is simple and inexpensive.

Geeigneterweise bilden die Halbleiter-Leistungsbauteile Transistoren. Suitably, the semiconductor power devices form transistors.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Leistungselektronikschaltung zumindest einen Teil mit der Topologie eines Phasenschenkels eines Wechselrichters auf. Dabei bildet der Phasenanschluss den oder zumindest einen der Lastanschlüsse oder ist mit diesem/diesen elektrisch leitend verbunden. In an advantageous development of the invention, the power electronics circuit has at least one part with the topology of a phase limb of an inverter. In this case, the phase connection forms the or at least one of the load terminals or is connected to this / these electrically conductive.

Gerade bei der Topologie eines Phasenschenkels ist es möglich, zwei unterschiedliche Arten von Leistungsbauteilen in jeden Strompfad der Topologie, in welchem der Lastanschluss liegt, zu kombinieren, da in jedem solchen Strompfad stets zwei Leistungsbauteile befindlich sind. Im Gegensatz dazu befindet sich etwa bei einer klassischen Halbbrücke lediglich ein einziges Leistungsbauteil im Strompfad. Especially in the topology of a phase leg, it is possible to combine two different types of power components in each current path of the topology in which the load terminal is located, since in each such current path always two power components are located. In contrast, for example, in the case of a classic half-bridge, only a single power component is in the current path.

Zweckmäßig sind/ist bei der erfindungsgemäßen Leistungselektronikschaltung mit einer solchen Topologie das zumindest eine oder die stromkritische/n Halbleiter-Leistungsbauteile an einer Gleichspannungsseite des Phasenschenkels angeordnet. Suitably, in the power electronics circuit according to the invention with such a topology, the at least one or the current-critical semiconductor power components are / are arranged on a DC voltage side of the phase arm.

Alternativ und ebenfalls zweckmäßig ist/sind bei der erfindungsgemäßen Leistungselektronikschaltung das zumindest eine oder die stromkritische/n Halbleiter-Leistungsbauteile an einer Lastseite des Phasenschenkels angeordnet. Alternatively and likewise expediently, in the power electronic circuit according to the invention, the at least one or the current-critical semiconductor power components are / are arranged on a load side of the phase leg.

Vorteilhaft ist/sind bei der erfindungsgemäßen Leistungselektronikschaltung das oder die stromkritische/n Halbleiter-Leistungsbauteil/e WBG-Leistungsbauteil/e und/oder HEMT-Leistungsbauteil/e, insbesondere GaN-HEMT-Leistungsbauteil/e. In the power electronics circuit according to the invention, the power critical semiconductor power component (s) is / are WBG power component (s) and / or HEMT power component (s), in particular GaN HEMT power component (s).

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:

1 eine bekannte Leistungselektronikschaltung gemäß dem Stand der Technik und 1 a known power electronics circuit according to the prior art and

2 eine erfindungsgemäße Leistungselektronikschaltung. 2 a power electronics circuit according to the invention.

Die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Leistungselektronikschaltung umfasst einen Schaltungsteil T mit einer Topologie eines Phasenschenkels eins Umrichters. Der Phasenschenkel weist eine Gleichspannungsseite G und einen Phasenanschluss auf, welcher einen Lastanschluss LA der Leistungselektronikschaltung bildet. In the 2 illustrated power electronics circuit according to the invention comprises a circuit part T with a topology of a phase leg of a converter. The phase leg has a DC side G and a phase connection, which forms a load terminal LA of the power electronics circuit.

Die Leistungselektronikschaltung umfasst mehrere stromkritische Halbleiter-Leistungsbauteile N, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel als GaN-HEMT-Bauteile ausgebildet sind (GaN = Galliumnitrid; HEMT = engl.: „High-electron-mobility transistor“). The power electronics circuit comprises a plurality of current-critical semiconductor power components N, which in the exemplary embodiment shown are designed as GaN HEMT components (GaN = gallium nitride, HEMT = "high-electron-mobility transistor").

Die stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteile N sind sämtlich an der Gleichspannungsseite G des Schaltungsteils T angeordnet und verschaltet. Die stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteile N sind stets über IGBT-Leistungsbauteile B an den Lastanschluss LA angebunden. Auf diese Weise schützen die IGBT-Leistungsbauteile B in jedem Strompfad die stromkritischen Halbleiter-Leistungsbauteile N. The current-critical semiconductor power components N are all arranged and interconnected on the DC voltage side G of the circuit part T. The current-critical semiconductor power components N are always connected via IGBT power components B to the load terminal LA. In this way, the IGBT power devices B in each current path protect the power critical semiconductor power devices N.

Grundsätzlich können in weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem gezeigten entsprechen, die Halbleiter-Leistungsbauteile N und die IGBT-Leistungsbauteile B ihre Rollen tauschen. In principle, in further exemplary embodiments, which otherwise correspond to the one shown, the semiconductor power components N and the IGBT power components B can exchange their roles.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Tobias Reinmann, Werner Turskey, Application Manual Power Semiconductors, Nuremberg: ISLE Publishing House, Establishment of ISLE eV, 2010 (ISBN: 978-3-938843-85-7) [0008]

Claims

Power electronics circuit having at least one load terminal (LA) and at least one current-critical semiconductor power device (N), wherein the power electronics circuit has one or more IGBT Leistungsbauteil / e and in each current path with load connection and current-critical semiconductor power device always an IGBT power device (B ) is arranged.

Power electronics circuit according to one of the preceding claims, which has a part with the topology (T) of a phase limb of an inverter, wherein the phase connection forms the (LA) or at least one of the load terminals or is electrically conductively connected thereto.

Power electronics circuit according to the preceding claim, wherein the at least one or the current-critical / n semiconductor power components (N) is / are connected to a DC voltage side (G) of the phase leg.

The power electronics circuit of claim 2, wherein the at least one or the current-critical semiconductor power devices (N) are / is connected to a load side of the phase leg.

Power electronics circuit according to one of the preceding claims, in which the one or more current-critical semiconductor power component (s) is or are WBG power component (s) and / or HEMT power component (s), in particular GaN-HEMT power component (s).