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DE102023204102A1 - Method and circuit arrangement for temperature monitoring of a power semiconductor formed as a JFET of a circuit arrangement of an inverter - Google Patents

Method and circuit arrangement for temperature monitoring of a power semiconductor formed as a JFET of a circuit arrangement of an inverter Download PDF

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DE102023204102A1
DE102023204102A1 DE102023204102.2A DE102023204102A DE102023204102A1 DE 102023204102 A1 DE102023204102 A1 DE 102023204102A1 DE 102023204102 A DE102023204102 A DE 102023204102A DE 102023204102 A1 DE102023204102 A1 DE 102023204102A1
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jfet
inverter
temperature
circuit arrangement
gate
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Application number
DE102023204102.2A
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German (de)
Inventor
Fabian Hohmann
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Temperaturüberwachung eines als JFET gebildeten Leistungshalbleiters einer Schaltungsanordnung eines Inverters mit mindestens einer Phase, wobei die Temperaturüberwachung des JFET erfolgt, indem eine Messung einer Änderung der Schwellenspannung der zwischen Gate und Source oder zwischen Gate und Drain gebildeten parasitären Diode des JFET oder eine Messung einer Änderung des differentiellen Widerstands zwischen Drain und Source erfolgt, und basierend auf den gemessenen Werten eine aktuelle Temperatur des JFET bestimmt wird. Ferner wird eine entsprechende Schaltungsanordnung vorgeschlagen.

Figure DE102023204102A1_0000
A method is proposed for temperature monitoring of a power semiconductor formed as a JFET in a circuit arrangement of an inverter with at least one phase, wherein the temperature monitoring of the JFET is carried out by measuring a change in the threshold voltage of the parasitic diode of the JFET formed between gate and source or between gate and drain or by measuring a change in the differential resistance between drain and source, and a current temperature of the JFET is determined based on the measured values. A corresponding circuit arrangement is also proposed.
Figure DE102023204102A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.The present invention relates to the field of electromobility, in particular to electronic modules for an electric drive.

Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls, das auch als Leistungselektronik bezeichnet wird, sind eine elektronische Steuereinheit, auch als ECU (electronic control unit) bezeichnet, die mit dem oder den Fahrzeugsteuergeräten in Verbindung steht oder Teil davon ist, und Steuersignale und/oder Informationen basierend auf z.B. dem Fahrverhalten oder Signalen anderer Steuergeräte erhält, sowie ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen.The use of electronic modules, such as power electronic modules, in motor vehicles has increased significantly in recent decades. This is due on the one hand to the need to improve fuel economy and vehicle performance, and on the other hand to advances in semiconductor technology. The main components of such an electronic module, which is also referred to as power electronics, are an electronic control unit, also known as an ECU (electronic control unit), which is connected to or is part of the vehicle control unit(s) and receives control signals and/or information based on, for example, driving behavior or signals from other control units, and a DC/AC inverter, which is used to supply electrical machines such as electric motors or generators with a multi-phase alternating current (AC).

Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie oder einem Akkumulator, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden. Pro Phase können eine oder mehrere Halbbrücken vorgesehen sein. Jede Halbbrücke ist in der Regel als sogenanntes Halbleiterpackage gebildet, wobei ein Halbleiterpackage als Highsideschalter und das andere als Lowsideschalter dient, von denen jeder zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter, z.B. MOSFETs, IGBTs etc., aufweist. Ebenfalls unter dem Begriff Halbleiterpackage wird ein Halbbrückenmodul verstanden, bei dem bereits Highside- und Lowsideschalter miteinander in einem Gehäuse verbaut sind. Grundsätzlich wird als Halbleiterpackage mindestens ein ummantelter Leistungshalbleiter inklusive (nicht ummantelten) Anschlussbeinen zur elektrischen bzw. Signal-Kontaktierung bezeichnet, also der auf der Basisplatte zu befestigende Chip mit Gehäuse.In this case, a direct current generated by a DC energy source, such as a battery or accumulator, is converted into a multi-phase alternating current. For this purpose, the inverters comprise a large number of electronic components with which bridge circuits (such as half bridges) are implemented, for example semiconductor power switches, which are also referred to as power semiconductors. One or more half bridges can be provided per phase. Each half bridge is usually formed as a so-called semiconductor package, with one semiconductor package serving as a high-side switch and the other as a low-side switch, each of which has power semiconductors connected in parallel, e.g. MOSFETs, IGBTs, etc. The term semiconductor package also refers to a half-bridge module in which high-side and low-side switches are already installed together in a housing. Basically, a semiconductor package is referred to as at least one encased power semiconductor including (unencased) connection legs for electrical or signal contact, i.e. the chip with housing to be attached to the base plate.

Jede Phase des Inverters kann durch ein Einzelphasenmodul gebildet sein, wobei mehrere Einzelphasenmodule zusammengeschaltet werden, um die benötigte Anzahl an Phasen des Inverters bereitzustellen. Alternativ kann ein Mehrphasenmodul verwendet werden, das alle Phasen beinhaltet. Bei einem Mehrphasenmodul sind die Phasen insbesondere auf einer gemeinsamen Basisplatte angeordnet.Each phase of the inverter can be formed by a single-phase module, with several single-phase modules being connected together to provide the required number of phases of the inverter. Alternatively, a multi-phase module can be used that contains all phases. In a multi-phase module, the phases are arranged in particular on a common base plate.

In Einzelphasenmodulen oder Mehrphasenmodulen sind bisher ein oder mehrere Temperatursensoren vorgesehen, um die Temperatur der darin angeordneten Halbleiterpackages, genauer der dort angeordneten Leistungshalbleiter, zu überprüfen, damit diese nicht überhitzen. Mit Hilfe der Temperatursensoren wird ab einer bestimmten, gemessenen Temperatur die mögliche Ausgangsleistung des Inverters limitiert und damit einer Überlastung der Leistungshalbleiter entgegengewirkt. In aktuellen Invertern erfolgt die Temperaturbestimmung mit Hilfe eines Temperatursensors (NTC oder PTC) an einem festgelegten Ort im Inverter, Die gemessene Temperatur kann z.B. die Kühlmitteleinlasstemperatur oder die Temperatur der Kühlplatte/Basisplatte sein. Mittels Temperaturmodell lässt sich dann auf die Temperatur des Leistungshalbleiters zurückrechnen, welche zur Leistungslimitierung nötig ist. Bisher sind Temperatursensoren nicht in der Nähe der Halbleiterpackages und damit nicht nahe an den zu überwachenden Leistungshalbleitern angeordnet, so dass die Genauigkeit der Temperaturmessung aktuell immer noch verbesserungswürdig ist.In single-phase modules or multi-phase modules, one or more temperature sensors are currently provided to check the temperature of the semiconductor packages arranged therein, or more precisely the power semiconductors arranged therein, to ensure that they do not overheat. With the help of the temperature sensors, the possible output power of the inverter is limited from a certain measured temperature, thus counteracting an overload of the power semiconductors. In current inverters, the temperature is determined using a temperature sensor (NTC or PTC) at a specified location in the inverter. The measured temperature can be, for example, the coolant inlet temperature or the temperature of the cooling plate/base plate. Using a temperature model, the temperature of the power semiconductor can then be calculated back, which is necessary for power limitation. So far, temperature sensors have not been arranged near the semiconductor packages and therefore not close to the power semiconductors to be monitored, so that the accuracy of the temperature measurement still needs to be improved.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Temperaturüberwachung von Leistungshalbleitern in einem Inverter eines Fahrzeugs bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of providing improved temperature monitoring of power semiconductors in an inverter of a vehicle.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Temperaturüberwachung eines als JFET gebildeten Leistungshalbleiters einer Schaltungsanordnung eines Inverters mit mindestens einer Phase, wobei die Temperaturüberwachung des JFET erfolgt, indem eine Messung einer Änderung der Schwellenspannung der zwischen Gate und Source oder zwischen Gate und Drain gebildeten parasitären Diode des JFET oder eine Messung einer Änderung des differentiellen Widerstands zwischen Drain und Source erfolgt, und basierend auf den gemessenen Werten eine aktuelle Temperatur des JFET bestimmt wird.A method is proposed for temperature monitoring of a power semiconductor formed as a JFET of a circuit arrangement of an inverter with at least one phase, wherein the temperature monitoring of the JFET is carried out by measuring a change in the threshold voltage of the parasitic diode of the JFET formed between gate and source or between gate and drain or by measuring a change in the differential resistance between drain and source, and a current temperature of the JFET is determined based on the measured values.

In einer Ausführung wird im Falle, dass ein vorgegebener Grenzwert der Temperatur des JFET überschritten ist, eine Maßnahme eingeleitet.In one embodiment, an action is initiated if a predetermined limit of the temperature of the JFET is exceeded.

Ferner wird eine Schaltungsanordnung eines Inverters mit mindestens einer Phase vorgeschlagen, aufweisend jeweils einen Highsideschalter und einen Lowsideschalter, von denen jeder mindestens einen als JFET gebildeten Leistungshalbleiter aufweist, wobei ein Abgriff einer Änderung einer Schwellenspannung einer zwischen Gate und Source oder zwischen Gate und Drain gebildeten parasitären Diode des JFET oder ein Abgriff einer Änderung des differentiellen Widerstands zwischen Drain und Source erfolgt, und die gemessenen Werte einer Steuereinrichtung zugeführt werden, die dazu eingerichtet ist, basierend auf den gemessenen Werten eine aktuelle Temperatur des JFET zu bestimmen.Furthermore, a circuit arrangement of an inverter with at least one phase is proposed, each having a high-side switch and a low-side switch, each of which has at least one power semiconductor formed as a JFET, wherein a tap of a change in a threshold voltage of a parasitic diode of the JFET formed between gate and source or between gate and drain or a tap of a change in the differential resistance between drain and source is carried out, and the measured values are fed to a control device which is configured to determine a current temperature of the JFET based on the measured values.

Ferner wird ein Inverter, insbesondere Pulswechselrichter, vorgeschlagen, aufweisend die Schaltungsanordnung, und ferner aufweisend eine Treiberschaltung je JFET, die dazu eingerichtet ist, eine negative Spannung an einen Gate-Anschluss des JFET bereitzustellen.Furthermore, an inverter, in particular a pulse inverter, is proposed, comprising the circuit arrangement, and further comprising a driver circuit for each JFET, which is configured to provide a negative voltage to a gate terminal of the JFET.

Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend den Inverter mit mindestens einer Phase.Furthermore, an electronic module for controlling the electric drive of a vehicle equipped with an electric drive is proposed, comprising the inverter with at least one phase.

In einer Ausführung weist das Elektronikmodul ferner mindestens eine Steuereinrichtung auf, die mit dem elektrischen Antrieb zu dessen Steuerung und Regelung und mit dem Inverter verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, basierend auf den gemessenen Werten der Schwellenspannung oder des differentiellen Widerstands eine aktuelle Temperatur des JFET zu bestimmen.In one embodiment, the electronic module further comprises at least one control device which is connected to the electric drive for controlling and regulating it and to the inverter, and which is configured to determine a current temperature of the JFET based on the measured values of the threshold voltage or the differential resistance.

In einer Ausführung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, im Falle, dass die Temperatur des JFET einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, eine Maßnahme zu ergreifen.In one embodiment, the control device is configured to take action in the event that the temperature of the JFET exceeds a predetermined limit.

Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend einen mindestens einphasigen Elektromotor und einen Akkumulator, sowie das mit beiden verbundene Elektronikmodul.Furthermore, an electric drive of a vehicle is proposed, comprising at least one single-phase electric motor and an accumulator, as well as the electronic module connected to both.

In einer Ausführung ist der Elektroantrieb als elektrischer Achsantrieb gebildet.In one version, the electric drive is designed as an electric axle drive.

Ferner wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, aufweisend den Elektroantrieb.Furthermore, a vehicle is proposed, comprising the electric drive.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention emerge from the following description of embodiments of the invention, based on the figures of the drawing, which show details according to the invention, and from the claims. The individual features can be implemented individually or in groups in any combination in a variant of the invention.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

  • 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines JFET mit parasitärer Diode zwischen Gate und Source, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines JFET mit parasitärer Diode zwischen Gate und Drain, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt beispielhaft eine Schaltungsanordnung mit als JFET gebildeter Leistungselektronik, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.
  • 1 shows a basic structure of a JFET with a parasitic diode between gate and source, according to an embodiment of the present invention.
  • 2 shows a basic structure of a JFET with a parasitic diode between gate and drain, according to an embodiment of the present invention.
  • 3 shows an example of a circuit arrangement with power electronics formed as a JFET, according to an embodiment of the present invention.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the following figure descriptions, identical elements or functions are provided with identical reference symbols.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es zum sicheren Betrieb eines Inverters (DC/AC-Wechselrichters) wichtig, die Temperatur der dort verwendeten Leistungshalbleiter zu überwachen, um eine Überhitzung und damit eine Beschädigung der Leistungshalbleiter zu vermeiden. Aktuell werden Temperatursensoren zur Überwachung verwendet, welche als separate Bauteile entfernt von den Halbleiterpackages angeordnet werden, so dass eine indirekte Temperaturmessung erfolgt. Dadurch ist ein thermisches Modell nötig, welches sich im Laufe der Lebensdauer des Inverters verändert. Problematisch ist auch, dass eine ungeplante Veränderung des thermischen Modells z.B. aufgrund eines Metallspans im Kühlkreis zu einer nicht nötigen und unerwünschten Leistungsbegrenzung führen kann.As already mentioned at the beginning, for the safe operation of an inverter (DC/AC inverter) it is important to monitor the temperature of the power semiconductors used there in order to avoid overheating and thus damage to the power semiconductors. Temperature sensors are currently used for monitoring, which are arranged as separate components away from the semiconductor packages so that an indirect temperature measurement is carried out. This requires a thermal model that changes over the life of the inverter. Another problem is that an unplanned change in the thermal model, e.g. due to a metal chip in the cooling circuit, can lead to an unnecessary and undesirable power limitation.

Um eine verbesserte Temperaturmessung und damit Temperaturüberwachung bereitzustellen, wird vorgeschlagen, JFETs 1 als Leistungshalbleiter zu verwenden. Ein JFET 1 ist ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (englisch: junction FET). Bei einem n-Kanal JFET 1, wie in den Figuren gezeigt, ist ein n-leitendes Substrat als Kanal gebildet. Die äußeren Endbereiche dienen als Anschlüsse für Source S und Drain D. Der Kanal wird beidseitig von einer Halbleiterschicht gegensätzlicher Dotierung, hier einer p-Dotierung, umschlossen und dient als Gate-Anschluss G. Diese Halbleiterschicht kann z.B. durch Eindiffundieren hergestellt sein.In order to provide improved temperature measurement and thus temperature monitoring, it is proposed to use JFETs 1 as power semiconductors. A JFET 1 is a junction FET. In an n-channel JFET 1, as shown in the figures, an n-conducting substrate is formed as a channel. The outer end regions serve as connections for source S and drain D. The channel is enclosed on both sides by a semiconductor layer of opposite doping, here a p-doping, and serves as a gate connection G. This semiconductor layer can be produced, for example, by diffusion.

Durch den intrinsischen Aufbau von JFETs 1 ergibt sich eine parasitäre Diode 2 zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S des Bauteils, wie in 1 am Beispiel eines n-Kanal JFET 1 dargestellt. Auch im Rückwärtsbetrieb bildet sich eine parasitäre Diode 2 aus, wie in 2 ebenfalls am Beispiel eines n-Kanal JFET 1 dargestellt. Im Rückwärtsbetrieb bildet sich die Diode 2 zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Drain-Anschluss D aus.The intrinsic structure of JFETs 1 results in a parasitic diode 2 between the gate terminal G and the source terminal S of the device, as shown in 1 using the example of an n-channel JFET 1. A parasitic diode 2 is also formed in reverse operation, as in 2 also shown using the example of an n-channel JFET 1. In reverse operation, the diode 2 is formed between the gate terminal G and the drain terminal D.

Die Schwellenspannung (Thresholdspannung) dieser parasitären Diode 2 zeigt eine Temperaturabhängigkeit von ca. -3mV/K und ermöglicht damit eine Detektion der Temperatur des JFET 1, indem die Spannung an der parasitären Diode 2, also zwischen G und S oder zwischen G und D abgegriffen und regelmäßig ausgewertet wird. Eine Änderung der abgegriffenen Spannung weist auf eine Änderung der Temperatur des JFET 1 hin. Wenn die Änderung einen vorgegebenen Grenzwert (betragsmäßig) überschreitet, kann eine Maßnahme ergriffen werden, um eine Überhitzung des Bauteils zu verhindern. Eine solche Maßnahme ist insbesondere die Limitierung der Ausgangsleistung oder eine Reduzierung des Ausgangsstroms des Inverters.The threshold voltage of this parasitic diode 2 shows a temperature dependence of approximately -3mV/K and thus enables the temperature of the JFET 1 to be detected by tapping the voltage at the parasitic diode 2, i.e. between G and S or between G and D, and regularly evaluating it. A change in the tapped voltage indicates a change in the temperature of the JFET 1. If the change exceeds a specified limit (in terms of amount), a measure can be taken to prevent the component from overheating. One such measure is in particular limiting the output power or reducing the output current of the inverter.

Im Falle einer Spannungsmessung zwischen G und S ist die Sensitivität der Temperaturmessung unabhängig von der Sperrspannung des JFET 1. Zudem wird keine Abkoppeldiode der Hochspannung benötigt.In the case of a voltage measurement between G and S, the sensitivity of the temperature measurement is independent of the blocking voltage of the JFET 1. In addition, no high voltage decoupling diode is required.

Die Temperaturmessung kann außerdem auch mittels Messung des veränderten differentiellen Widerstands erfolgen, der ein Maß der Stromänderung bei minimaler Veränderung der anliegenden Spannung ist. Hier wird die Spannung zwischen D und S gemessen und regelmäßig ausgewertet. Vorteilhaft dient der bekannte Laststrom (entsprechende Stromsensorik ist in Invertern stets vorhanden) als Mess-Strom. Alternativ kann ein separater Mess-Strom angelegt werden. Bei einer Temperaturänderung des Bauteils ändert sich die Spannung und damit der differentielle Widerstand. Basierend auf dieser Änderung kann auf die Temperatur des Bauteils geschlossen werden. Bei einer als zu hoch erfassten Änderung des Widerstands und damit einer Temperatur, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, kann eine Maßnahme ergriffen werden, um eine Überhitzung des Bauteils zu verhindern. Insbesondere erfolgt eine Limitierung der Ausgangsleistung oder eine Reduzierung des Ausgangsstroms des Inverters.The temperature can also be measured by measuring the changed differential resistance, which is a measure of the current change with a minimal change in the applied voltage. Here, the voltage between D and S is measured and regularly evaluated. The known load current (corresponding current sensors are always present in inverters) is advantageously used as the measuring current. Alternatively, a separate measuring current can be applied. If the temperature of the component changes, the voltage changes and with it the differential resistance. Based on this change, the temperature of the component can be determined. If the change in resistance is detected as too high and therefore a temperature that exceeds a specified limit, measures can be taken to prevent the component from overheating. In particular, the output power is limited or the output current of the inverter is reduced.

Die Auswertung der Spannungssignale (Spannung an der parasitären Diode 2 und/oder Spannungsmessung zwischen G und S) erfolgt durch eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Schwellenspannung der parasitären Diode 2 oder die Änderung des differentiellen Widerstands als Eingangssignale zu erhalten, diese auszuwerten und im Falle, dass ein vorgegebener Grenzwert über- oder unterschritten wird, der eine zu hohe Temperatur des JFET 1 anzeigt, eine Maßnahme einzuleiten, wie oben beschrieben. Die Steuereinheit kann dabei sowohl der Gatetreiber des JFET 1 sein, als auch ein übergeordneter Mikrokontroller der ECU des Inverters. The evaluation of the voltage signals (voltage at the parasitic diode 2 and/or voltage measurement between G and S) is carried out by a control device that is set up to receive the threshold voltage of the parasitic diode 2 or the change in the differential resistance as input signals, to evaluate these and, in the event that a predetermined limit value is exceeded or not reached, which indicates that the temperature of the JFET 1 is too high, to initiate a measure as described above. The control unit can be either the gate driver of the JFET 1 or a higher-level microcontroller of the ECU of the inverter.

Alternativ zu den in den 1 und 2 gezeigten n-Kanal JFETs 1 können auch p-Kanal JFETs für die Temperaturmessung verwendet werden.As an alternative to the 1 and 2 In addition to the n-channel JFETs 1 shown, p-channel JFETs can also be used for temperature measurement.

Auch ist vorteilhaft der mittlere Bereich des Kanals schwächer dotiert als die äußeren Bereiche des Leistungshalbleiters, da dort die Source- und Drain-Anschlüsse S, D elektrisch kontaktiert werden.It is also advantageous that the middle region of the channel is less doped than the outer regions of the power semiconductor, since this is where the source and drain terminals S, D are electrically contacted.

Die Umsetzung der Verwendung von JFETs 1 als Leistungshalbleiter in Invertern kann wie in 3 dargestellt erfolgen. Hier ist ein Pulswechselrichter mit n-Kanal JFETs 1 als Leistungshalbleiter dargestellt. JFETs 1 können mit einer passenden Treiberschaltung 3 als Pulswechselrichter verwendet werden, so dass die Erstellung einer dreiphasigen (Phasen P1-P3) Wechselspannung aus einer Gleichspannung ermöglicht wird. Da ein JFET 1 im Gegensatz zu z.B. MOSFETs ohne anliegende äußere Spannung leitend ist, muss die Treiberschaltung 3 eine negative Spannung an dessen Gate-Anschluss G bereitstellen, um das Bauteil zu sperren.The implementation of the use of JFETs 1 as power semiconductors in inverters can be done as in 3 shown. Here, a pulse inverter with n-channel JFETs 1 is shown as a power semiconductor. JFETs 1 can be used as a pulse inverter with a suitable driver circuit 3, so that a three-phase (phases P1-P3) alternating voltage can be created from a direct voltage. Since a JFET 1, unlike MOSFETs, for example, is conductive without an external voltage applied, the driver circuit 3 must provide a negative voltage at its gate connection G in order to block the component.

Anwendung findet die vorgeschlagene Temperaturüberwachung vorteilhaft bei Invertern, die in Elektroantrieben von Fahrzeugen eingesetzt werden. In dem Elektronikmodul (der Leistungselektronik) des Inverters werden JFETs 1 als Leistungshalbleiter verwendet (anstatt der bisher verwendeten MOSFETs oder IGBTs).The proposed temperature monitoring is advantageously used in inverters that are used in electric drives of vehicles. In the electronic module (the power electronics) of the inverter, JFETs 1 are used as power semiconductors (instead of the MOSFETs or IGBTs previously used).

Insbesondere ist je Phase P1-P3 des Inverters ein Einzelphasenmodul mit einer Basisplatte als Trägerplatte vorgesehen, auf der mindestens zwei einander gegenüberliegende Halbleiterpackages mit als JFETs 1 gebildeten Leistungshalbleitern angeordnet sind, die eine Halbbrücke bilden. Jeweils eines der Halbleiterpackages ist als ein Highsideschalter und das andere als ein Lowsideschalter gebildet. Alternativ kann auch ein Halbleiterpackage mit darin angeordnetem Highsideschalter und Lowsideschalter vorgesehen sein.In particular, a single-phase module with a base plate as a carrier plate is provided for each phase P1-P3 of the inverter, on which at least two opposing semiconductor packages with power semiconductors formed as JFETs 1 are arranged, which form a half-bridge. One of the semiconductor packages is formed as a high-side switch and the other as a low-side switch. Alternatively, a semiconductor package with a high-side switch and a low-side switch arranged therein can also be provided.

Das Einzelphasenmodul wird über die Basisplatte in einem Gehäuse des Inverters befestigt. Auf den Halbleiterpackages sind Stromschienen und andere Komponenten aufgebracht, um letztendlich das Einzelphasenmodul zu bilden. Mehrere Einzelphasenmodule können zu einem Mehrphasenmodul zusammengesetzt werden. The single-phase module is attached to the base plate in a housing of the inverter. Busbars and other components are attached to the semiconductor packages to ultimately form the single-phase module. Several single-phase modules can be combined to form a multi-phase module.

Alternativ ist ein Mehrphasenmodul vorgesehen, das eine gemeinsame Basisplatte für alle drei Phasen P1-P3 aufweist.Alternatively, a multi-phase module is provided which has a common base plate for all three phases P1-P3.

Das Elektronikmodul (die Leistungselektronik) wird vorzugsweise in einem Elektroantrieb eines Fahrzeugs verwendet, der einen dreiphasigen Elektromotor und einen Akkumulator aufweist, wobei das Elektronikmodul mit beiden verbunden ist, um vom Akkumulator eingehenden Gleichstrom in für den Elektromotor verwendbaren Wechselstrom mittels des Inverters zu erzeugen, um den Elektromotor damit anzutreiben. Der Elektromotor ist dabei insbesondere ein elektrischer Achsantrieb. Vorteilhaft weist ein Fahrzeug, z.B. ein PKW oder ein NKW, mindestens einen solchen Antrieb auf. Ferner ist eine elektronische Steuereinheit, auch als ECU (electronic control unit) bezeichnet, vorgesehen, die mit dem oder den Fahrzeugsteuergeräten in Verbindung steht oder Teil davon ist, und Steuersignale und/oder Informationen basierend auf z.B. dem Fahrverhalten oder Signalen anderer Steuergeräte erhält.The electronic module (the power electronics) is preferably used in an electric drive of a vehicle having a three-phase electric motor and a battery, the electronic module being connected to both in order to to generate direct current from the accumulator into alternating current that can be used by the electric motor by means of the inverter in order to drive the electric motor. The electric motor is in particular an electric axle drive. A vehicle, e.g. a passenger car or a commercial vehicle, advantageously has at least one such drive. Furthermore, an electronic control unit, also referred to as ECU (electronic control unit), is provided, which is connected to the vehicle control unit(s) or is part of it, and receives control signals and/or information based on e.g. the driving behavior or signals from other control units.

Das Elektronikmodul (die Leistungselektronik) umfasst einen DCIAC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) mit dem beschriebenen Aufbau. Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DCIDC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul (die Leistungselektronik) zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie oder einem Akkumulator, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.The electronic module (the power electronics) comprises a DCIAC inverter with the structure described. It can also comprise or be a part of an AC/DC rectifier, a DC/DC converter, transformer and/or another electrical converter or a part of such a converter. In particular, the electronic module (the power electronics) is used to supply current to an electric machine, for example an electric motor and/or a generator. A DC/AC inverter is preferably used to generate a multi-phase alternating current from a direct current generated by means of a DC voltage from an energy source, such as a battery or an accumulator.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11
JFETJFET
22
parasitäre Diodeparasitic diode
33
Treiberschaltungdriver circuit
P1-P3P1-P3
Phasenphases
GG
GateGate
SS
SourceSource
DD
DrainDrain

Claims (10)

Verfahren zur Temperaturüberwachung eines als JFET (1) gebildeten Leistungshalbleiters einer Schaltungsanordnung eines Inverters mit mindestens einer Phase (P1-P3), wobei die Temperaturüberwachung des JFET (1) erfolgt, indem eine Messung einer Änderung der Schwellenspannung der zwischen Gate (G) und Source (S) oder zwischen Gate (G) und Drain (D) gebildeten parasitären Diode (2) des JFET (1) oder eine Messung einer Änderung des differentiellen Widerstands zwischen Drain (D) und Source (S) erfolgt, und basierend auf den gemessenen Werten eine aktuelle Temperatur des JFET (1) bestimmt wird.Method for temperature monitoring of a power semiconductor formed as a JFET (1) of a circuit arrangement of an inverter with at least one phase (P1-P3), wherein the temperature monitoring of the JFET (1) is carried out by measuring a change in the threshold voltage of the parasitic diode (2) of the JFET (1) formed between gate (G) and source (S) or between gate (G) and drain (D) or by measuring a change in the differential resistance between drain (D) and source (S), and based on the measured values, a current temperature of the JFET (1) is determined. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Falle, dass ein vorgegebener Grenzwert der Temperatur des JFET (1) überschritten ist, eine Maßnahme eingeleitet wird.procedure according to claim 1 , whereby in case a predetermined limit of the temperature of the JFET (1) is exceeded, an action is initiated. Schaltungsanordnung eines Inverters mit mindestens einer Phase (P1-P3), aufweisend jeweils einen Highsideschalter und einen Lowsideschalter, von denen jeder mindestens einen als JFET (1) gebildeten Leistungshalbleiter aufweist, wobei ein Abgriff einer Änderung einer Schwellenspannung einer zwischen Gate (G) und Source (S) oder zwischen Gate (G) und Drain (D) gebildeten parasitären Diode (2) des JFET (1) oder ein Abgriff einer Änderung des differentiellen Widerstands zwischen Drain (D) und Source (S) erfolgt, und die gemessenen Werte einer Steuereinrichtung zugeführt werden, die dazu eingerichtet ist, basierend auf den gemessenen Werten eine aktuelle Temperatur des JFET (1) zu bestimmen.Circuit arrangement of an inverter with at least one phase (P1-P3), each having a high-side switch and a low-side switch, each of which has at least one power semiconductor formed as a JFET (1), wherein a tap of a change in a threshold voltage of a parasitic diode (2) of the JFET (1) formed between gate (G) and source (S) or between gate (G) and drain (D) or a tap of a change in the differential resistance between drain (D) and source (S) takes place, and the measured values are fed to a control device which is set up to determine a current temperature of the JFET (1) based on the measured values. Inverter, insbesondere Pulswechselrichter, aufweisend eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, und ferner aufweisend eine Treiberschaltung (3) je JFET (1), die dazu eingerichtet ist, eine negative Spannung an einen Gate-Anschluss (G) des JFET (1) bereitzustellen.Inverter, in particular pulse inverter, comprising a circuit arrangement according to claim 3 , and further comprising a driver circuit (3) per JFET (1) which is configured to provide a negative voltage to a gate terminal (G) of the JFET (1). Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs, aufweisend einen Inverter nach Anspruch 4 mit mindestens einer Phase (P1-P3).Electronic module for controlling the electric drive of a vehicle equipped with an electric drive, comprising an inverter according to claim 4 with at least one phase (P1-P3). Elektronikmodul nach Anspruch 5, ferner aufweisend mindestens eine Steuereinrichtung , die mit dem elektrischen Antrieb zu dessen Steuerung und Regelung und mit dem Inverter verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, basierend auf den gemessenen Werten der Schwellenspannung oder des differentiellen Widerstands eine aktuelle Temperatur des JFET (1) zu bestimmen.electronic module according to claim 5 , further comprising at least one control device which is connected to the electric drive for controlling and regulating it and to the inverter, and which is configured to determine a current temperature of the JFET (1) based on the measured values of the threshold voltage or the differential resistance. Elektronikmodul nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, im Falle, dass die Temperatur des JFET (1) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, eine Maßnahme zu ergreifen.electronic module according to claim 6 , wherein the control device is arranged to take a measure in the event that the temperature of the JFET (1) exceeds a predetermined limit value. Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend einen mindestens einphasigen Elektromotor und einen Akkumulator, sowie ein mit beiden verbundenes Elektronikmodul nach Anspruch 6 oder 7.Electric drive of a vehicle, comprising at least one single-phase electric motor and a battery, as well as an electronic module connected to both according to claim 6 or 7 . Elektroantrieb nach Anspruch 8, der als elektrischer Achsantrieb gebildet ist.electric drive according to claim 8 , which is designed as an electric axle drive. Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb nach Anspruch 8 oder 9.Vehicle having an electric drive according to claim 8 or 9 .
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