阅读说明：本技术 变流器部件和这种变流器部件的半导体模块 (Converter component and semiconductor module of such a converter component ) 是由 R.库施 于 2018-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于具有驱动电机(4)的机动车的变流器部件,其中所述变流器部件(2)具有多重利用的电力电子组件(T1,T2),所述电力电子组件可选地要么有助于驱动变换器的功能,要么在提供用于运行所述驱动电机(4)的峰值功率时有助于功率调整器(1)的功能。(The invention relates to a converter component for a motor vehicle having a drive motor (4), wherein the converter component (2) has a multi-use power electronics assembly (T1, T2) which optionally contributes either to the function of a drive converter or to the function of a power regulator (1) when peak power is available for operating the drive motor (4).)

变流器部件和这种变流器部件的半导体模块

技术领域

本发明涉及一种用于具有驱动电机的机动车的变流器部件、尤其是用于有效地管理电力驱动系的能量的变流器部件，以及涉及一种这种变流器部件的半导体模块。

背景技术

如今具有驱动电机的机动车通常具有驱动变换器以便将牵引电池的直流电压转换为用于运行驱动电机的交流电压。此外，可以设置功率调整器以便借助燃料电池、升压电池等对牵引电池进行充电或对驱动电机进行升压。

在节省成本、空间和重量的框架下，最近在寻求多次利用单个电路元件的方法。例如DE 10 2009 052 680 A1描述了一种用于车辆电池的充电装置，该充电装置除了具有带有驱动变换器的电动机之外，还具有用于降低输入直流电压的降压转换器。在此，对于制动的电动机，驱动变换器和电动机一起作为升压转换器起作用。DE 10 2014 217 703 A1公开了一种类似的充电装置。因此，该充电装置涉及将电力电子部件集成到驱动电机中。

但是，对于在相同的效率和经济性的情况下对性能有很高要求的未来驱动器，在所需的基本功率(持续功率)和所需的峰值功率(尖峰功率)之间存在冲突，峰值功率必须通过高压拓扑来提供给电驱动器。在此，短时间的功率提升以及直流快速充电是峰值功率的决定参量。从高压拓扑和电驱动器或电池系统的设计角度来看，变换到更高的电压(800V)可能是有利的，其中直流快速充电网络或附加的电源(通常为400V)可能不支持这点。因此需要功率调整器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种变流器部件和半导体模块，该变流器部件和半导体模块可以实现以体积、重量和成本最优的方式设计功率调整器，并根据需要提供基本功率或峰值功率。

上述技术问题通过根据权利要求1的根据本发明的变流器部件和根据权利要求9的根据本发明的半导体模块来解决。

根据第一方面，本发明涉及一种用于具有驱动电机的机动车的变流器部件，其中该变流器部件具有多重利用的电力电子组件，该电力电子组件可选地要么有助于驱动变换器的功能，要么在提供用于运行驱动电机的峰值功率时有助于功率调整器的功能。

根据第二方面，本发明涉及一种用于变流器部件的半导体模块，其中根据A-NPC(Advanced Neutral Point Clamped)设计，该半导体模块设计有两个串联的功率开关和两个反并联的功率开关，并且该半导体模块还具有与两个串联的功率开关并联连接的升压组件。

由从属权利要求和对本发明的优选实施例的以下描述得出本发明的其他有利的设计方案。

本发明涉及一种用于具有驱动电机的机动车的变流器部件，例如用于插电式混合动力机动车(PHEV，Plug-in Hybrids electric vehicle)、电池电动机动车(BEV，Batteryelectric vehicle)、燃料电池机动车(FCEV，Fuel Cell electric vehicle)或其他具有驱动电动机的机动车。驱动电机可以是传统的电动机，其特别是每相具有恰好一个绕组。优选地，电动机不具有中心抽头和/或驻车制动器。

变流器部件，也可以将其称为行驶变换器或驱动变换器，具有多重利用的电力电子组件，例如一个或多个多重利用的电力电子构件或模块。多重利用的电力电子组件可选地或者有助于驱动变换器的功能(驱动转换器功能，)，或者在提供用于运行驱动电机的峰值功率时有助于功率调整器的功能(功率提升器功能，)。在此，当驱动电机所需的功率大于基本功率时，可以出现峰值功率(尖峰功率，Peakleistung)。所需的功率尤其是在短时间的功率提升中是必需的。例如，当所需的功率超过功率阈值时，可以出现峰值功率，该功率阈值大于基本功率，优选地比基本功率大几个百分点。

因此，驱动变换器至少部分地集成了必需的功率调整器，从而可以实现以体积、重量和成本最优的方式来集成电力电子模块。与将电力电子部件集成到驱动电机中相反，本发明提供了一种用于能量管理的功率分配的变流器模块，该能量管理最佳地利用了所使用的电力电子模块。

在一些实施例中，多重利用的电力电子组件可以包括两个功率开关的反并联电路(反并联的功率开关)。两个反并联的功率开关可以是晶体管，例如诸如Si-IGBT的IGBT或者诸如SiC-MOSFET的宽带隙半导体(Wide-Bandgap-Halbleiter)。两个反并联的功率开关在其驱动转换器功能中用于使变流器部件作为驱动变换器进行工作，并且在其功率提升器功能中用于使变流器部件在峰值负载范围中起到提升作用。例如，两个反并联的功率开关在功率提升中支持外部的功率调整器，或者两个反并联的功率开关构成了有助于功率提升的集成的功率调整器的一部分。因此，将支持功率提升的功率调整器的各个部件集成到变流器部件中。必要时还可以将提供基本功率的功率调整器的部件集成到变流器部件中。

在一些实施例中，变流器部件还可以具有两个功率开关的串联电路(串联的功率开关)，其可选地有助于二电平驱动变换器功能或有助于三电平驱动变换器功能。在多重利用的电力电子组件有助于驱动变换器的功能期间，变流器部件可以作为三电平驱动变换器运行。在多重利用的电力电子组件有助于在提供峰值功率时的功率调整器的功能期间，变流器部件可以作为二电平驱动变换器运行并且有助于支持功率提升。在行驶期间，变流器部件能够使用多重利用的电力电子组件来支持功率调整器，该功率调整器可以是外部的功率调整器，或者可以是部分或完全集成的功率调整器。即使驱动电机没有制动，多重利用的电力电子组件仍可以有助于功率提升器功能。

两个串联的功率开关还可以可选地有助于第一和第二多电平功能，例如可选地有助于(n-1)电平驱动变换器功能或者有助于n电平驱动变换器功能，其中n大于3。用于行驶驱动的多电平或三电平变换器仅引起铁损和铜损形式的驱动电机的较小的谐波损耗，以及开关损耗的分布和最小化，和较小的dU/dt。

两个串联的功率开关可以是晶体管，例如诸如Si-IGBT的IGBT或者诸如SiC-MOSFET的宽带隙半导体。宽带隙半导体允许明显比Si-IGBT高的开关频率以及减小的损耗。因此，将宽带隙半导体集成到变流器部件中，从而形成了Si/SiC混合系统。在使用宽带隙半导体的情况下，可以通过显著提高开关频率来实现功率提升器功能。这允许明显减小外部功率调整器、尤其是其扼流圈的大小和重量或者在集成的功率调整器情况下的变流器部件的构件的大小和重量。功率调整器可以包括具有宽带隙半导体的其他模块，例如SiC功率开关。

例如，在平均行驶周期中所需的功率(基本功率)可以由外部的高度集成的多相功率调整器覆盖，而针对峰值功率和快速充电升压可以附加地、即并行地使用来自变流器部件的一部分现有电力电子组件。为此，变流器部件可以包括接触器，从而可以在效率较低的二电平运行中控制变流器部件，而其余的电力电子开关和扼流圈用于附加的功率调整。对于“行驶中升压”运行模式，通过二电平脉冲模式可以接受驱动电机中短时间增加的损耗。从而升压功率可以覆盖整个系统。因此，可以将外部高度集成的多相功率调整器设计得很小，并且仅用于覆盖基本负载。在充电时(针对400/800V系统的充电升压)，驱动电机优选地处于静止状态，并且可以通过扼流圈将变流器部件的多重利用的电力电子组件用于给与外部功率调整器并联的电池充电。

在一些实施例中，变流器部件还可以具有升压组件，该升压组件在提供用于运行驱动电机的峰值功率和基本功率时有助于功率调整器的功能。因此，设计用于覆盖基本负载的功率调整器可以部分或完全集成到变流器部件中。变流器部件还可以具有多个升压组件、优选n x 3个升压组件，其中n是自然数。

在一些实施例中，升压组件可以包括功率开关、第一二极管和第二二极管，该第一二极管与功率开关并联连接，该第二二极管与功率开关和第一二极管串联连接。功率开关可以是晶体管、优选地是宽带隙半导体，例如SiC-MOSFET。

在一些实施例中，可以将多重利用的电力电子组件和升压组件集成到例如基于A-NPC设计的半导体模块中，其中升压组件与两个功率开关的串联电路并联连接。下面在细节上对半导体模块进行进一步描述。替换地，将多重利用的电力电子组件和升压组件集成到例如基于T-NPC(T-type，neutral-point clamped)设计的半导体模块中。

根据本发明的变流器部件必要时结合外部的功率调整器优选地设计为，将驱动系的800V高压拓扑连接到现有的400V快速充电网络。替换地，驱动系还可以应用在400V高压拓扑中，或者将驱动系的800V高压拓扑连接到800V快速充电网络。

在一些实施例中，多重利用的电力电子组件可以与可控的接触器耦合，该接触器根据控制要么以驱动变换器的功能，要么以在提供峰值功率时的功率调整器的功能来运行多重利用的电力电子组件。此外，多重利用的电力电子组件可以与另外的接触器耦合，当多重利用的电力电子组件以驱动变换器的功能运行时，该另外的接触器将多重利用的电力电子组件与零抽头连接，并且当多重利用的电力电子组件以在提供峰值功率时的功率调整器的功能运行时，该另外的接触器将多重利用的电力电子组件与升压电池、燃料电池、增程器和/或充电站的电压输入端连接。

在一些实施例中，多重利用的电力电子组件可以与平滑扼流圈和/或二极管耦合。在功率提升器运行中，平滑扼流圈和二极管特别是用于调整峰值功率。升压组件可以与扼流圈耦合，该扼流圈有助于提供基本功率。

优选地，在提供峰值功率时的功率调整器的功能设置用于升压电池的功率转变，特别是用于高功率升压电池或超级电容器、燃料电池、尤其是具有小内燃机的增程器和/或充电站的功率转变。可以设计变流器部件，使得功率调整器的功能可选地可以用于直流充电模块的功率的升压变换或者可以用于升压电池、燃料电池和/或增程器的功率的升压变换。

对变流器部件和外部的功率调整器以及具有集成的功率调整器的变流器部件的控制可以通过共同的控制单元进行。因此，可以将驱动器、连接器、传感器和软件用于所有的模式。由于可以针对性地选择并取决于工作点地设置具有匹配的采样率、控制参数和电路带宽的共同的控制平台，因此可以利用这种方法更容易地对谐振效应和振动效应进行控制。

总之，本发明提供了一种用于能量管理的功率分配的变流器模块，该能量管理最佳地利用了所使用的电力电子模块，其特征在于低损耗并且同时在其大小和成本方面是优化的。通过这种方法可以减少所需的无源部件，诸如中间电路电容器、扼流圈、汇流排、电磁兼容性(EMV，Elektromagnetische)滤波器等的数量。

此外，本发明还涉及一种用于变流器部件的半导体模块，其中根据A-NPC设计，该半导体模块设计具有两个串联的功率开关和两个反并联的功率开关，并且还具有升压组件，其与两个串联的功率开关并联连接。

优选地，两个反并联的功率开关与半导体模块的中心抽头连接，并且此外还与附加的模块抽头连接。以这种方式，半导体模块可以以两种不同的运行模式运行。例如，半导体模块要么作为根据A-NPC设计的传统的三电平模块工作，要么以具有附加功率提升器功能的二电平运行模式工作。这两种运行模式之间的变换例如可以通过为半导体模块设置另外的附加的模块抽头来实现，该附加的模块抽头与两个串联的IGBT的中点连接，从而可以通过使外部的可控的接触器接触到两个附加的模块抽头来在两种工作模式之间进行变换。中心抽头可以与外部的可控的接触器耦合，该外部的可控的接触器要么将反并联的功率开关与零点连接(在驱动转换器功能中)要么将其与负连接端连接(在功率提升器功能中)。

升压组件可以包括功率开关、第一二极管和第二二极管，该第一二极管与功率开关并联连接，该第二二极管与功率开关和第一二极管串联连接。升压组件可以在功率开关与升压组件的第二二极管之间具有另外的模块抽头。此外，功率开关可以与中间电路的负连接端连接，并且第二二极管可以在阴极侧与中间电路的正连接端连接。

半导体模块的功率开关可以是晶体管，例如诸如Si-IGBT的IGBT或者诸如SiC-MOSFET的宽带隙半导体。优选地，两个反并联的功率开关是Si-IGBT，而两个串联的功率开关和升压组件的功率开关是SiC-MOSFET。这可以实现开关频率的提高，从而减小扼流圈和接触器的大小。

在一些实施例中，如上前面已经提到的两个反并联的功率开关可以与半导体模块的中心抽头连接，并且还与半导体模块的附加的模块抽头连接，半导体模块还可以具有二极管和另外的模块抽头，其中二极管在阴极侧与中间电路的正连接端连接，并且在阳极侧与另外的模块抽头连接。二极管有助于功率提升器功能。

总之提供了一种用于多电平行驶变换器的高度集成的半导体模块。半导体模块集成了功率调整器的一部分，该功率调整器优选地是用于DC/DC转换器的SiC升压模块的形式。高度集成的半导体模块具有简单且有效的冷却连接和功率密集的设计。

本发明还涉及一种用于变流器部件的半导体模块，其中根据T-NPC设计，该半导体模块设计具有两个串联的功率开关和两个反串联的功率开关，并且还包括与两个串联的功率开关并联连接的升压组件。本发明还涉及一种机动车，其具有如前面描述的变流器部件和设计用于覆盖基本负载的高频切换的DC-DC转换器。高频切换的DC-DC转换器可以是外部的功率调整器或部分或者完全集成到变流器部件中的功率调整器。

附图说明

现在示例性地并且参照附图来描述本发明的实施例。附图中：

图1示出了A-NPC设计中的三电平模块，其具有两个附加的模块抽头；

图2示出了根据本发明的高压拓扑的第一实施例；

图3示出了根据本发明的、A-NPC设计中的三电平模块，其具有两个附加的模块抽头和附加的升压支路；并且

图4示出了根据本发明的高压拓扑的第二实施例，其中功率调整器被集成在驱动变换器中。

具体实施方式

图1示出了具有两个附加的模块抽头的A-NPC设计中的半导体模块。A-NPC设计中的三电平模块包括两个Si-IGBT T1、T2；两个串联的SiC-MOSFET M1、M2和两个二极管D1、D2。具有反并联的二极管D1、D2的两个串联的MOSFET M1、M2连接在正连接端POS与负连接端NEG之间，以便与中间电路连接。两个反并联的Si-IGBT T1、T2被实施为RB-IGBT(RB＝Reverse Blocking，反向阻断)。两个反并联的Si-IGBT T1、T2与中心抽头TN连接，以便与中间电路中点N(中性点)连接，并且两个反并联的Si-IGBT T1、T2还与附加的模块抽头Tout1连接。此外，半导体模块还具有另外的附加的模块抽头Tout2，该模块抽头Tout2在模块内部与半导体模块的交流电压输出端out连接。如果将附加的模块抽头Tout1与模块抽头Tout2连接(例如借助可从模块外部控制的接触器，如图2所示)，则将两个反并联的Si-IGBT T1、T2连接在交流电压输出端out与中心抽头TN之间。在这种运行模式下，图1的半导体模块如A-NPC设计中的传统的三电平模块那样工作。如果附加的模块抽头Tout1没有与模块抽头Tout2连接，则图1的三电平模块可以在二电平模式下工作，其中串联的MOSFET T1、T2可以用于二电平电流方向，而两个反并联的Si-IGBT T1、T2可以用于功率提升器功能。半导体模块具有附加的二极管D3和附加的模块抽头Tout3。附加的二极管D3可以用于功率提升器功能。

如从A-NPC设计中的三电平模块中已知的，半导体模块具有用于控制IGBT和MOSFET的另外的抽头，其在图1中未示出。如从传统的A-NPC设计中的三电平IGBT模块已知的，模块例如可以被设计为SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)技术中的HVIC(High Voltage Integrated Circuit，高压集成电路)等。

图2示出了根据本发明的高压拓扑的第一实施例。该高压拓扑包括功率调整器1、驱动变换器2、高压电池3和电动机4，该驱动变换器2在功率提升中有助于功率调整器1的功能。

功率调整器1具有由两个SiC升压模块10a、10b组成的六相装置，SiC升压模块10a、10b分别具有三个升压支路B1、B2、B3。每个升压支路B1、B2、B3包括彼此并联连接的SiC-MOSFET M3和第一二极管D4，以及与SiC-MOSFET M3和第一二极管D4串联连接的第二二极管D5。升压支路B1、B2、B3分别连接在中间电路的正区域DC+和中间电路的负区域DC-之间。在一侧的MOSFET M3和第一二极管D4与另一侧的第二二极管D5之间，每个升压支路B1、B2、B3经由扼流圈S1、S2、S3与可选的燃料电池5a、升压电池5b或具有小内燃机的增程器5c的第一功率输出端11连接。燃料电池5a、升压电池5b或增程器5c第二功率输出端12与中间电路的负区域DC-耦合。

作为驱动变换器，驱动变换器2将高压电池3的电压变换为交流电压，从而为电动机4供电。驱动变换器2被设计为三电平变换器，其除了包括电容器C_dc之外还包括三个半导体模块20a、20b、20c，这些半导体模块被设计为半桥。如图1中详细描述的，三个半导体模块20a、20b、20c分别根据修改的A-NPC设计进行设计。第一半导体模块20a的第一和第二附加的模块抽头(图1中的Tout1、Tout2)将第一半导体模块20a与可控的接触器6a连接。在可控的接触器6a的第一位置，第一半导体模块20a的IGBT T1、T2以常规方式与半导体模块20a的交流电压模块抽头(图1中的out)连接。半导体模块20a如三电平运行中的传统A-NPC模块那样与电容器C_dc一起作为驱动变换器起作用。在可控的接触器6a的第二位置，反串联的MOSFET M1、M2与交流电压模块抽头out之间的电连接中断。取而代之，MOSFET M1、M2经由第一附加的模块抽头(图1中的Tout1)与外部的电压源7(例如电网)以及可选的燃料电池5a、升压电池5b和增程器5c连接，并且经由第三附加的模块抽头(图1中的Tout3)与二极管D3连接。因此，在可控接触器6a的该位置中，两个反串联的MOSFET的第二MOSFET M2承担了传统的独立功率调整器的升压支路的功率开关的功能，并且有助于功率提升器功能。以类似的方式，第二半导体模块20b的第一和第二附加的模块抽头将第二半导体模块20b与可控的接触器6b连接，第三半导体模块20c的第一和第二附加的模块抽头将第三半导体模块20c与可控的接触器6c连接。

在三个半导体模块20a、20b、20c的反并联MOSFET M1、M2与中心抽头N之间设置有接触器8以便将模块连接到中间电路，在第一位置中，接触器8将三个半导体模块与零点N连接，在第二位置中，接触器8将三个半导体模块与中间电路的负区域DC-连接。当接触器6a、6b和6c处于第一位置时，接触器8占据第一位置，而当接触器6a、6b和6c处于第二位置时，接触器8占据第二位置。

因此，反并联MOSFET M1、M2、二极管D3以及经由相应的接触器6a、6b、6c与它们耦合的扼流圈S4有助于在功率提升时提供峰值功率。

由此，在可控的接触器6a、6b、6c、8的第一位置中，驱动变换器1可以在“驱动变换器”运行模式中运行，在该运行模式中，半导体模块20a、20b和20c以传统方式用作用于转变高压电池3的直流电压的根据A-NPC的三电平模块，以驱动电动机4。在可控的接触器6a、6b、6c、8的第二位置中，驱动变换器1在“功率提升”运行模式中运行，并且与功率调整器1一起提供峰值功率。由于外部的功率调整器1由此必须提供较低的功率，即仅须覆盖基本负载，因此可以将功率调整器1设计得更小、更轻且成本更低。

在使用SiC半导体的情况下可以实现对开关频率的显著提高。这对功率调整器1的部件的大小和重量有很大影响。根据一个实施例，利用1200V SiC半导体来实施半桥分支、特别是MOSFET M1、M2，并且利用600V Si半导体来实施反并联的IGBT T1、T2。根据本发明的驱动变换器可以以任意的电压水平工作。高压电池3的一侧例如可以是400V/800V系统。

在从三电平驱动变换器运行转换为电池充电运行时，通过从本领域技术人员已知的三电平控制直接切换到电池充电控制，可能会困难地进行对功率开关的控制。

图3示出了根据本发明的修改的A-NPC设计中的半导体模块，其具有两个附加的模块抽头，该附加的模块抽头附加地包括升压支路B4。每个升压支路B4包括彼此并联连接的SiC-MOSFET M4和第一二极管D6，以及与SiC-MOSFET M4和第一二极管D6串联连接的第二二极管D7。升压支路B4布置在中间电路的正连接端POS与中间电路的负连接端NEG之间，使得第二二极管D7在阴极侧与正连接端POS连接。在一侧的MOSFET M4和第一二极管D6与另一侧的第二二极管D7之间，升压支路B4与另外的模块抽头A连接。通过将升压支路B4集成到半导体模块中可以省去对升压支路4的独立的冷却和监视。

图4示出了根据本发明的高压拓扑的第二实施例。该高压拓扑包括三相功率调整器1'、驱动变换器2'、高压电池3和电动机4，驱动变换器具有附加的升压支路B4以有助于功率调整器1'的功能。

不同于第一实施例，第二SiC升压模块10b的升压支路作为升压支路B4集成在驱动变换器2'中。驱动变换器2'包括三个半导体模块21a、21b、21c，如在图3中更详细地描述的，这些半导体模块分别根据修改的A-NPC设计进行设计。此外，驱动变换器2'包括附加的扼流圈S5，其与半导体模块21a、21b、21c的升压支路B4和功率调整器1'一起有助于提供基本功率和峰值功率。

附图标记列表

1，1' 功率调整器

10a，10b SiC升压模块

11 第一功率输出端

12 第二功率输出端

2，2' 驱动变频器

20a，20b，20c，

21a，21b，21c 半导体模块

3 高压电池

4 电动机

5a 燃料电池

5b 升压电池

5c 增程器

6a，6b，6c 外部的可控的接触器

7 电网

8 接触器

B1，B2，B3，B4 升压支路

D1，D2，D3，D4，

D5，D6，D7 二极管

M1、M2，M3，M4 MOSFET

N 零点

Out 交流电压输出端

POS 正连接端

S1，S2，S3，S4，

S5 扼流圈

T1，T2 IGBT

TN 中心抽头

Tout1，Tout2，Tout3，

A 附加的模块抽头