(57)【要約】本発明によるパワー半導体回路は、２つの直流電圧端子と、前記直流電圧端子間に接続された少なくとも１つのハーフブリッとを有する。そのハーフブリッジが２つの直列接続されたスイッチングユニットを含み、各スイッチングユニットが１つのパワー半導体スイッチまたは複数の並列接続されたパワー半導体スイッチを含む。本発明によるパワー半導体回路は、さらに、各ハーフブリッジのための交流電圧端子と、各スイッチングユニットのためのゲート駆動回路と、前記ハーフブリッジに対して並列な転流コンデンサと、モジュール制御部と、前記交流電圧端子への電流を決定するための測定装置とを有し、前記ハーフブリッジと、前記転流コンデンサと、前記ゲート駆動回路とが、共通な回路基板上に実装されている。
2020515217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの直流電圧端子（１０２ａ，１０２ｂ）と、
前記直流電圧端子（１０２ａ，１０２ｂ）間に接続された少なくとも１つのハーフブリッジであって、該ハーフブリッジが２つの直列接続されたスイッチングユニット（１０４ａ，１０４ｂ，３０１ａ，３０１ｂ，３０２ａ，３０２ｂ）を含み、各スイッチングユニットが１つのパワー半導体スイッチ（１０４ａ，１０４ｂ，３０１ａ，３０１ｂ，３０２ａ，３０２ｂ）または複数の並列接続されたパワー半導体スイッチ（１０４ａ，１０４ｂ，４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂ）を含む、ハーフブリッジと、
前記ハーフブリッジのそれぞれのための交流電圧端子（１０６）と、
前記スイッチングユニットのそれぞれのためのゲート駆動回路（１０５ａ，１０５ｂ，３０３ａ，３０３ｂ，３０４ａ，３０４ｂ）と、
前記ハーフブリッジに対して並列な転流コンデンサ（１０３，２０３ａ，２０３ｂ）と、
モジュール制御部（１０７）と、
前記交流電圧端子への電流を決定するための測定装置（１１３）と、を有し、
前記ハーフブリッジと、前記転流コンデンサ（１０３，２０３ａ，２０３ｂ）と、前記ゲート駆動回路（１０５ａ，１０５ｂ，３０３ａ，３０３ｂ，３０４ａ，３０４ｂ）とが、１つの共通な均質な回路基板（１０１）上に配置されている、パワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項２】
厳密に１つのハーフブリッジを有する請求項１記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項３】
厳密に２つの並列接続されたハーフブリッジを有する請求項１記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項４】
厳密に３つのハーフブリッジを有する請求項１記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項５】
前記転流コンデンサ（１０３，２０３ａ，２０３ｂ）が高々１０μＦの容量を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項６】
前記転流コンデンサ（１０３，２０３ａ，２０３ｂ）の電圧を測定するための装置（１０８）を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項７】
温度測定装置（１０９）を有する請求項１から６のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項８】
前記転流コンデンサ（１０３，２０３ａ，２０３ｂ）と、１つまたは複数の前記ハーフブリッジとが、転流セルとして構成されている、請求項１から７のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項９】
各ハーフブリッジの中間点と前記交流電圧端子（１０６）との間にインダクタンス（１１０）を有する請求項１から８のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項１０】
第２の交流電圧端子（１１２）を有する請求項１から９のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項１１】
前記交流電圧端子（１０６）と前記第２の交流電圧端子（１１２）との間にフィルタコンデンサ（１１１）を有する請求項１０記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項１２】
前記パワー半導体スイッチがＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴによって構成されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項１３】
前記パワー半導体スイッチ（１０４ａ，１０４ｂ，３０１ａ，３０１ｂ，３０２ａ，３０２ｂ）が、ワイドバンドギャップ半導体スイッチ、特にＧａＮスイッチによって構成されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項１４】
前記モジュール制御部（１０７）が、外側からインターフェースを介して前記モジュール制御部（１０７）に予め与え得るスイッチング周波数、位相および／または出力周波数により前記ハーフブリッジのパルス幅変調を実行することができるように構成されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【請求項１５】
前記モジュール制御部（１０７）が、通信のためのシリアルインターフェース（１０７ａ，１０７ｂ）を有する、請求項１から１４のいずれか１項に記載のパワー半導体回路（１００，２００，３００，４００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの直流電圧端子と、それらの直流電圧端子間に接続されている少なくとも１つのハーフブリッジとを有し、該ハーフブリッジが２つのスイッチングユニットを含み、各スイッチングユニットが１つのパワー半導体スイッチまたは複数の並列なパワー半導体スイッチを含む、パワー半導体回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、できるだけ少ない個数の半導体スイッチによりキロワット以上の範囲の電力を切り替えることができるように、十分に大きな電流負担能力および阻止電圧を有する特定の半導体スイッチ、従って、例えばトランジスタを必要とする。これらの半導体スイッチは、一般に、いわゆるパワー半導体モジュールに統合されている。パワー半導体モジュールにおいては、複数の半導体スイッチが１つの共通な熱伝導性の支持体上に並置されている。ボンディングワイヤを介して個々の半導体スイッチが接続端子に配線されており、それらの接続端子を介してパワー半導体モジュールが周辺機器に接続されている。このようなパワー半導体モジュールを動作させるためには、例えば、半導体スイッチをスイッチングさせるべく半導体スイッチごとに１つのゲート駆動回路が割り当てられている回路基板が接続されなければならない。さらに、上述の基板において集められた熱をパワー半導体モジュールから放出させるために、パワー半導体モジュールは冷却体上に取り付けられなければならない。
【０００３】
コンパクトなブロック状の構造形態と、ゲート駆動回路を外部に接続しなければならないこととによって、与えられた性能データおよび構造スペースデータに、パワー半導体モジュールを適合させることは容易ではない。しかし、最近のコンバータ技術に関する多様な適用可能性によって、適用事例に応じて性能データおよび構造スペースデータに対してさまざまな要求が生じた。しかし、それに反して、入手可能なパワー半導体モジュールは、限られた選択しかできない。従って、利用可能なパワー半導体モジュールの限られた数のもとで、大まかに適合したパワー半導体モジュールが選択されて使用される。用途に適合したパワー半導体モジュールが存在しない場合には、最適ではない過剰設計されたパワー半導体モジュールを使用しなければならず、これは、不必要にコストのかかる解決策である。
【０００４】
さらに、比較的大出力のパワーエレクトロニクス操作機器においては、スイッチが、並列接続された半導体チップにより構成される。チップの殆ど同期したスイッチングを達成するために、これらのチップは、幾何学的に互いに近接配置され、特定のモジュールにおいては構造的に統合される。それらのモジュールは、外見上は、近似的に大出力チップのように動作する。しかし、これらのモジュールのばらつきは非常に大きく、集積度は僅かである。
【０００５】
従って、現在において、各パワーエレクトロニクス操作機器は、パワーエレクトロニクス補助部品に関して非常に低い再利用価値を有する個別部品である。このことが、長い開発期間および高いメンテナンス費用を招く。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、上述の欠点を低減するパワー半導体回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、本発明によれば、独立請求項の特徴事項によって解決される。本発明の有利な発展形態は従属請求項の特徴事項によってもたらされる。
【０００８】
本発明によるパワー半導体回路は、２つの直流電圧端子と、両直流電圧端子間に接続された少なくとも１つのハーフブリッジとを有し、該ハーフブリッジが２つの直列接続されたスイッチングユニットを含み、各スイッチングユニットが１つのパワー半導体スイッチまたは複数の並列接続されたパワー半導体スイッチを含む。さらに、本発明によるパワー半導体回路は、各ハーフブリッジのための１つの交流電圧端子と、各スイッチングユニットのためのゲート駆動回路と、前記ハーフブリッジに対して並列な転流コンデンサと、モジュール制御部と、前記交流電圧端子への電流を決定するための測定装置とを有する。さらに、少なくとも前記ハーフブリッジ、前記転流コンデンサと、前記ゲート駆動回路とが、共通な均質な回路基板上に、例えばＩＭＳ基板（ＩＭＳ＝絶縁金属基板）、ＦＲ４プリント基板またはＤＣＢセラミックス（ＤＣＢ＝直接銅ボンディング）上に配置されている。
【０００９】
有利なことに、それによって、公知のパワー半導体モジュールよりも一般的に使用できるパワー半導体回路がもたらされる。パワー半導体回路は、個別に使用することができ、または他の同種のパワー半導体回路と組み合わせて使用することができる。その組み合わせで、例えば、供給される電力が高められる。例えば、多数の本発明によるパワー半導体回路からなるコンバータを構成することができる。有利なことに、ゲート駆動回路が、既にパワー半導体回路の一部であり、それによってスイッチング経路が短くされ、従って寄生インダクタンスが低減されている。電流を決定するための測定装置を用いるモジュール制御部によって、パワー半導体回路は、有利なことに、公知のパワー半導体モジュールよりも自立的に動作することができる。
【００１０】
本発明による装置の有利な実施形態は、請求項１に従属した請求項からもたらされる。請求項１に基づく実施形態は、下位請求項の１つの特徴事項、または好ましくは複数の下位請求項からの特徴事項と組み合わせることができる。それに応じて、変流器に関しては、さらに付加的に次の特徴事項が設けられるとよい。
【００１１】
・パワー半導体回路は、厳密に１つのハーフブリッジを含むように構成されているとよい。その際、パワー半導体回路は、単相運転用に設計されており、ハーフブリッジを介して、直流電圧端子に印加される直流電圧をＰＷＭ変調された交流電圧に変換して交流電圧端子に出力することができる。多相の全体構成は、次によって達成することができる。このようなパワー半導体回路を用いて、例えば３つのパワー半導体回路を直流電圧端子に並列接続して、これらのパワー半導体回路の交流電圧端子を３相出力電圧の３つの相として使用することである。有利なことに、例えば１つのみの単相の全体回路を構成しなければならない場合に、厳密に１つのハーフブリッジを有するパワー半導体回路の構成は、スリムであり、複雑な全体回路および非常に少ない構造スペースという構成において、最大のフレキシビリティを可能にする。たとえ厳密に１つのハーフブリッジが含まれている場合にも、ハーフブリッジは、該ハーフブリッジの２つのスイッチングユニットにおいて、それぞれ、１つの個別パワー半導体スイッチを含んでよいし、あるいは複数のパワー半導体スイッチの並列回路を含んでよい。
【００１２】
・パワー半導体回路は、厳密に２つの並列接続されたハーフブリッジを含むように構成されていてよい。これらのハーフブリッジは、並列接続することができる。それによって、パワー半導体回路において１つのフルブリッジが生じる。これは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータを構成する際に使用することができるが、しかし他の電気的なコンバータにも使用することができる。
【００１３】
・パワー半導体回路は、厳密に３つのハーフブリッジを含むように構成されていてよい。これらのハーフブリッジは、並列接続することができる。これらのハーフブリッジは、この場合もやはり、共通なプリント基板上に配置されている。その際に、パワー半導体回路は、３相運転用に設計されており、これらのハーフブリッジを介して、直流電圧端子に印加される直流電圧を、ＰＷＭ変調された３相交流電圧に変換して、３相交流電圧端子に出力することができる。有利なことに、厳密に３つのハーフブリッジを有するパワー半導体回路の構成は、単相パワー半導体回路に比べて、３相の全体回路にとって構造スペース的に最適化されており、従って少ないボリュームを有する３相の全体回路を可能にする。同時に、スイッチングユニットの駆動制御が簡素化される。なぜならば、モジュール制御部が、外部に対する通信なしに３相出力電圧のためのパルス幅変調の位相角を確定することができるからである。
【００１４】
・転流コンデンサは、高々１０μＦの容量を有するとよい。それによって比較的小さいコンデンサを使用することができる。その転流コンデンサの目的は、パワー半導体回路の１つのハーフブリッジまたは複数のハーフブリッジを有する１つの転流セルの提供および構成にある。従って、例えば１つのコンバータである全体回路において、中間回路を構成するために最適なコンデンサを選択することができる。さらに、１つのパワー半導体回路または複数のパワー半導体回路の構成によって、スイッチング過程における短い電流路による僅かの寄生インダクタンスを有する最適な転流が保証されている。その際に、転流コンデンサの最大容量は、最大動作電圧、即ち使用されるパワー半導体スイッチの阻止能力につながる。
【００１５】
・パワー半導体回路は、転流コンデンサの電圧を測定するための装置を有し、この装置が適切に共通なプリント基板上に一緒に組み込まれているとよい。電圧測定によって、モジュール制御部には、パワー半導体回路の制御のために使用できる他の入力値が提供される。それによって、モジュール制御部は、自立的かつ柔軟に、例えば不足したまたは高すぎる入力電圧のような異常な動作状況に良好に反応することができる。
【００１６】
・パワー半導体回路は、温度測定装置を含み、該装置が適切に共通なプリント基板上に一緒に組み込まれているとよい。温度測定装置は、例えばＫＴＹまたは白金測定素子、例えば測温抵抗体Ｐｔ１００またはＰｔ１０００のようなＮＴＣ測温抵抗体を含むとよい。有利なことに、それによって、パワー半導体回路またはそのパワー半導体回路の異常状態の認識が可能にされる。モジュール制御部は、それによって、より自立的であり、例えば、過度の温度負担が発生した際に、パワー半導体回路における故障を低減または回避することができる。さらに、モジュール制御部が、例えば温度負担が運転時間にわたって加算され、その加算された温度負担に基づいてパワー半導体回路の残存耐用年数が推定されることにより、耐用年数評価を決定して出力することができる。有利なことに、温度測定装置は、ハーフブリッジの直接的な近傍内に、特にハーフブリッジのスイッチングユニット間に、配置されているので、パワー半導体回路の熱供給を迅速かつ直接的に測定することができる。
【００１７】
・パワー半導体回路は、１つまたは全てのハーフブリッジの中間点と、それに付属した交流電圧端子との間に、減結合インダクタンスを有するとよい。それにより、複数のパワー半導体回路の並列接続が可能になる。減結合インダクタンスの大きさは、駆動制御のジッター、中間回路電圧、負荷電流、許容可能な動的電流非対称に依存する。例えば、ジッター５０ｎｓ、中間回路電圧４８０Ｖ、負荷電流３５Ａ、非対称性５％の場合には、２０μＨの減結合インダクタンスが適切である。減結合インダクタンスの大きさは、２μＨ〜５０μＨの範囲が好ましい。従って、電流および電圧は２０Ａ〜２００Ａおよび３８０Ｖ〜６９０Ｖの範囲に及ぶ。
【００１８】
・パワー半導体回路は、第２の交流電圧端子を有するとよい。これにより、例えば、他のパワー半導体回路の１つの交流電圧端子への相互接続をもたらし得る。特に、パワー半導体回路は、その交流電圧端子と第２の交流電圧端子との間に、フィルタコンデンサを有する。従って、それどころか複数のパワー半導体回路と一緒にさえも、出力電圧のフィルタリングを行うことができる。
【００１９】
・２つまたは３つのハーフブリッジを有するパワー半導体回路の場合にも、２つの、特に厳密に２つの交流電圧端子が存在するとよい。例えば、そのパワー半導体回路は、相モジュールとして使用することができ、この相モジュールでは３つのハーフブリッジが同期して制御され、従って全体構成において１つの相のみに相当する。その際に、第２の交流電圧端子を、複数のパワー半導体回路の相互接続のために使用することもできる。
【００２０】
・パワー半導体回路は、第３の直流電圧端子を有するとよい。この第３の直流電圧端子では、中性線への接続、接地電位への接続、または外部に配置された中間回路の中間点電位への接続を実現することができる。この電位は、有利なことに、例えば可変のパルス幅変調を実行するために、従って、例えば多段コンバータの動作形態を実行するために、パワー半導体回路において一緒に使用することができる。この場合に、転流コンデンサを第２の転流コンデンサに直列に接続し、両転流コンデンサ間の電位点を第３の直流電圧端子に接続すると有利である。さらに、これらの転流コンデンサが、ハーフブリッジと共に１つの転流セルを構成するとよい。
【００２１】
・  第３の直流電圧端子は、両極性スイッチを介して、ハーフブリッジの中間点に接続されているとよい。それにより、第３の直流電圧端子によって予め与えられる電位は、交流電圧のために共用することができる。
【００２２】
・パワー半導体回路は、２つまたは３つの直流電圧端子と、１つ、２つまたは３つの交流電圧端子とが、唯一の既存の負荷端子であるように構成されているとよい。従って、このパワー半導体回路は、明らかに拡張された機能を有するパワー半導体モジュールのように完成された構成部品を成している。
【００２３】
・パワー半導体回路は、例えばＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴによって構成されているとよい。パワー半導体回路は、ワイドバンドギャップ半導体スイッチ、特にＧａＮスイッチまたはＳｉＣスイッチによって構成されているとよい。ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴの用途は公知である。従って、例えばＨＥＭＴまたはカスコードとしてのＧａＮスイッチは、これまでは普及していないが、しかしスイッチング周波数の使用可能範囲および損失電力に関して明らかな利点をもたらす。純粋なシリコン系の半導体スイッチと違って、ワイドバンドギャップ半導体スイッチは、より高いスイッチング周波数でスイッチングすることができる。
【００２４】
・モジュール制御部は、通信のために、シリアルインターフェースを有するとよい。インターフェースを介して、例えば目標値発生器との通信が可能である。インターフェースは、目標値方向において駆動制御指令を受け取る。駆動制御に関する通信は、個別の信号値により伝達される。というのは、インターフェースを介して、例えば、生成すべき交流電圧の周波数および位相角のような複数の異なる制御値も伝達できるからである。さらに、インターフェースは両方向に構成されているとよく、それによりモジュール制御部も値を返信することができる。例えば、モジュール制御部は、電流、電圧、温度および、例えばスイッチング時間のようなスイッチング特性に関する情報を返信することができる。モジュール制御部は、そのために好ましくは、マイクロプロセッサおよびメモリを含む。さらに、インターフェースは、複数のパワー半導体回路の互いの通信も可能にする。
【００２５】
・モジュール制御部は、外部からインターフェースを介してモジュール制御部に予め与え得る位相および／または出力周波数により、ハーフブリッジのパルス幅変調を実行するように構成されているとよい。それにより、パワー半導体回路は、正確な電気的な駆動制御を必要とせずに抽象的な目標値により駆動制御することができるインテリジェント構成素子として動作する。
【００２６】
・モジュール制御部は、スイッチングユニットのスイッチングのために、少なくとも２ｋＨｚ、少なくとも１０ｋＨｚ、または少なくとも３０ｋＨｚの周波数を使用することができるように、構成されているとよい。
【００２７】
・負荷端子が同様に共通なプリント基板上に配置されているのが適切である。同じように、モジュール制御部と、電流を決定するための測定装置とが共通なプリント基板上に配置されているのが適切である。
【００２８】
・転流コンデンサは、例えば直列または並列に接続された複数のコンデンサからなっていてもよい。その際に、転流コンデンサの容量は、これらのコンデンサの全体容量に相当する。これは、要求される電流および／または要求される電圧を特定するコンデンサが存在しない場合に有利である。
【００２９】
・１つのゲート駆動回路と、付設のスイッチングユニットの１つまたは複数のパワー半導体回路との間の制御線は、共通なプリント基板の各導体路によって形成されているとよい。これによって、コンパクトなパワー半導体モジュールとは違って、ゲート駆動回路をボンディングによってパワー半導体スイッチと接続する必要がない。これは、付加的に、最大可能なスイッチング周波数に影響を及ぼす寄生インダクタンスを低減する。
【００３０】
・半導体スイッチは、それぞれはんだ層を介してワイヤなしにプリント基板に機械的および電気的に接続されているとよい。換言するならば、半導体スイッチは、例えばプリント基板内に差し込まれてはんだ付けされているピンを有するディスクリート部品として構成されていない。その代わりに、各半導体スイッチがプリント基板上に載置され、そのプリント基板に、はんだ層を介して、即ち、はんだ付け用錫合金からなる層を介して、はんだ付けされている。これによって、結合が幾何学的に格別に短い。これによって、僅かな寄生インダクタンスが達成される。従って、各半導体スイッチは、より大きなスイッチング周波数で、これによって過電圧誘起という結果を招くことなくスイッチングすることができる。
【００３１】
・共通なプリント基板は、金属からなる基板を有するとよい。この基板は、例えば、ＩＭＳ（絶縁金属基板）であるとよい。これによって、高いスイッチング周波数にも拘らず、半導体スイッチが金属を介して放熱することができるという利点がもたらされるので、プリント基板も半導体スイッチも、同一の冷却技術により損失熱の排出によって金属を介して放熱することができる。プラスチックに基づくプリント基板、例えばエポキシ樹脂またはエポキシ樹脂中で含侵させられたガラス繊維マットに基づくプリント基板は、低価格の選択肢を提供する。プラスチックの使用によって、表面漏れ電流に対する抵抗力が格別に高い。さらに、金属基板を使用する場合よりも少ない寄生インダクタンスがもたらされ、このことは、特に高いスイッチング周波数の場合に、より少ない漏れ電流を生じさせる。
【００３２】
以下において、本発明の実施例を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は本発明によるパワー半導体回路の第１の実施形態の回路図である。
【図２】図２は図１に基づくパワー半導体回路の構成を示す回路図である。
【図３】図３は本発明によるパワー半導体回路の第２の実施形態の回路図である。
【図４】図４は本発明によるパワー半導体回路の第３の実施形態の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下において説明する実施例は、本発明の好ましい実施形態である。この実施例では、記載されている実施形態の構成要素は、それぞれ、互いに独立に考慮されるべき個別の本発明特徴事項であり、それらの特徴事項は、それぞれ同様に互いに独立に本発明を発展させ、それにより同様に個別に、または示された組み合わせとは異なる組み合わせで、本発明の構成部品と見なすことができる。さらに、記載した実施形態は、既に記載した本発明の他の特徴事項によって補完することができる。
【００３５】
諸図において、機能的に同じ要素は同じ参照符号を付されている。
【００３６】
図１は、本発明によるパワー半導体回路の第１の実施形態の回路図を示す。第１のモジュール１００がプリント基板１０１を含む。プリント基板１０１は、本実施例ではＩＭＳ基板であるが、しかしＦＲ４材料またはＤＣＢセラミックスであってもよい。第１のモジュール１００は、他のパワーエレクトロニクス部品に接続するための負荷端子として、２つの直流電圧端子１０２ａ，１０２ｂと、１つの交流電圧端子１０６と、１つの他の交流電圧端子１１２とを含む。これらの端子は、図１において、プリント基板１０１の周縁にあるように示されているが、現実の実施では、周縁にある必要はなく、あるいはプリント基板１０１の対向する両面にあってもよい。
【００３７】
プリント基板１０１上には、第１のモジュール１００の他の要素として、転流コンデンサ１０３と、電圧変換器１０８と、マイクロプロセッサ形式のモジュール制御部１０７と、２つのＩＧＢＴ１０４，１０４ｂおよび２つの付属のゲート駆動回路１０５ａ，１０５ｂを有するハーフブリッジと、温度センサ１０９と、フィルタインダクタンス１１０と、フィルタコンデンサ１１１と、変流器１１３とが配置されている。
【００３８】
転流コンデンサ１０３は、両直流電圧端子１０２ａ，１０２ｂの間に接続されている。転流コンデンサ１０３は、具体的な構成において、例えば直列および／または並列に接続された複数のコンデンサ構成部分から構成されている。この例においては、転流コンデンサ１０３は、３６ｎＦの容量を有する。
【００３９】
転流コンデンサ１０３の容量Ｃは、最大負荷電流Ｉ、転流回路内において有効な転流インダクタンスＬｋ、電圧ＵＣＥおよび中間回路電圧ＵＤＣから、次式で決定される。
Ｃ＝Ｉ２Ｌｋ／（ＵＣＥ−ＵＤＣ）２
【００４０】
従って、最大電流Ｉ＝２００Ａ、インダクタンスＬｋ＝４０ｎＨ、コレクタ−エミッタ電圧ＵＣＥ＝９００Ｖ、中間回路電圧ＵＤＣ＝６９０Ｖの場合、３６ｎＦの容量が生じる。
【００４１】
転流コンデンサ１０３に並列に電圧変換器１０８が接続されている。電圧変換器１０８は、モジュール制御部１０７に接続されており、モジュール制御部１０７がハーフブリッジを制御する際に転流コンデンサ１０３の充電状態を考慮することを可能にする。
【００４２】
モジュール制御部１０７は、この実施例では、２つのインターフェースを有する。シリアルインターフェース１０７ａは、上位に置かれている外部の制御部とのデータ交換に用いられる。このデータ交換は、例えば、その上位の制御部からの目標値をモジュール制御部１０７に割り当てることである。このような目標値は、例えば、出力すべき交流電圧の位相角および振幅であり得る。その際に、目標値は抽象化されており、即ち、その目標値は、目標値も達成するためにハーフブリッジのＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂにとって必要である具体的な駆動制御に関係しない。抽象化された目標値をＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂの具体的な駆動制御に変換すること、例えば適切なパルス幅変調形式に変換することは、モジュール制御部１０７によって行われる。
【００４３】
他のインターフェース１０７ｂは、第１のモジュール１００のように構成されている他の回路のモジュール制御部との接続に用いられる。他のインターフェース１０７ｂを介して、モジュール制御部１０７は、例えば動作データを交換して、例えば、上位の制御部に関係なく進行する電圧変換の内部組織化を実施することができる。
【００４４】
モジュール制御部１０７は、さらにゲート駆動回路１０５ａ，１０５ｂに接続されており、これらのゲート駆動回路を制御して、ＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂを、例えばパルス幅変調のスイッチングパターンでオン・オフする。ゲート駆動回路１０４ａ，１０４ｂは、できるだけ短い適切な制御線を介してＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂのゲートコンタクトに接続されている。
【００４５】
ＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂは、同方向に直列に接続されており、従ってハーフブリッジを構成する。そのハーフブリッジは、直流電圧端子１０２ａ，１０２ｂの間に、従って転流コンデンサ１０３に並列に接続されている。ハーフブリッジの中間点は、フィルタインダクタンス１１０に接続されており、フィルタインダクタンス１１０の第２の接続点は交流電圧端子１０６に接続されている。交流電圧端子１０６とフィルタインダクタンス１１０との間の導電領域内に変流器１１３が配置されている。さらに、フィルタインダクタンス１１０の第２の接続点は、フィルタコンデンサ１１１を介して他の交流電圧端子１１２に接続されている。
【００４６】
両ＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂ間の領域に、即ち、プリント基板１０１上の両ＩＧＢＴの実際位置の間の領域に、温度センサ１０９が、例えば白金測温抵抗体の形で，配置されている。温度センサ１０９は、変流器１１３と同様にモジュール制御部１０７に接続されている。従って、このモジュール制御部は、ＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂの適切な制御を行うと共に、場合によっては障害発生に関する通報を出力するために、出力電流、入力電圧およびハーフブリッジ領域の温度に関する値を自由に使用することができる。
【００４７】
フィルタインダクタンス１１０を有するフィルタは、電圧変化ｄＵ／ｄｔを制限するために使用され、そしてさらに、出力電圧の純粋な正弦波形に至るまで高調波を低減するために使用される。このことは、次の場合に、即ち、非常に高い、例えばＭＨｚ領域のスイッチング周波数を有する、例えばＧａＮスイッチのようなワイドバンドギャップスイッチが使用され、それによってフィルタエレメントが小形化でき、モジュール１００への組み込みが簡単に達成できる場合に、格別に有利である。
【００４８】
図２は、本発明によるパワー半導体回路の第２の実施形態を示す。第２のモジュール２００は、大幅に、第１のモジュール１００の構成要素を含んでおり、幾つかの要素が置換または補充されている。
【００４９】
第２のモジュール２００は、第３の直流電圧端子２０２を有する。第３の直流電圧端子２０２を介して、例えば中性線、接地電位または外部に配置された中間回路の中間点電位への接続を実現することができる。電圧変換器１０８の代わりに２つの電圧変換器２０８ａ，２０８ｂが設けられており、これらの電圧変換器は、直流電圧端子１０２ａ，１０２ｂの各１つと、第３の直流電圧端子２０２との間の電圧を取得し、モジュール制御部１０７に転送する。単独の転流コンデンサ１０３が、第１および第２の転流コンデンサ２０３ａ，２０３ｂからなる直列接続回路に置き換えられており、その直列接続回路は、直流電圧端子１０２ａ，１０２ｂ間に接続されている。両転流コンデンサ２０３ａ，２０３ｂ間の電位点２１３は、第３の直流電圧端子２０２に接続されている。
【００５０】
前記電位点２１３とハーフブリッジの中間点との間に両極性スイッチ２１４が接続されている。両極性スイッチ２１４は、２つの直列回路の並列回路を含み、両直列回路は、それぞれ１つのダイオード２１５ａ，２１５ｂと、それぞれ１つのＩＧＢＴ２１６ａ，２１６ｂとを有する。両ＩＧＢＴ２１６ａ，２１６ｂのために、それぞれ１つのゲート駆動回路２１７ａ，２１７ｂが設けられている。
【００５１】
最終的には、第１の転流コンデンサ２０３ａと直流電圧端子１０２ａとの間に減衰抵抗２０４が設けられている。この減衰抵抗は、転流コンデンサ２０３ａ，２０３ｂおよび外部に接続された中間回路コンデンサと、導体インダクタンスとからなる振動回路内に生じる振動を減衰させるために使用される。減衰抵抗２０４は、転流コンデンサ２０３ａ，２０３ｂ間、または第２の転流コンデンサ２０３ｂと直流電圧端子１０２ｂとの間にも配置することができる。
【００５２】
第１のモジュール１００の他の要素は、変更なしに第２のモジュール２００内に存在している。
【００５３】
従って、第２のモジュール２００は、３点インバータ様式に基づく動作を可能にする。３点インバータでは、パルス幅変調の際に、インバータ電圧の改善された変調を達成すると共に必要なフィルタの小型化を達成するために、中間回路の中間の電圧レベルも、共に使用される。従って、モジュール制御部１０７は、ハーフブリッジのＩＧＢＴ１０４ａ、１０４ｂのほかに、両極性スイッチ２１４のＩＧＢＴ２１６ａ，２１６ｂも、それぞれのゲート駆動回路１０５ａ，１０５ｂ，２１７ａ，２１７ｂを介して、駆動制御するように設計されている。そのために、第１のモジュール１００におけると同様に、目標値および測定値が取得されて処理され、第３の直流電圧端子２０２のおかげで付加的な電圧値を利用することができる。
【００５４】
第１および第２のモジュール１００，２００は単相回路である。図３は、本発明によるパワー半導体回路の第３の実施形態の回路図を示す。第３の実施形態は、３相用に直接的に設計されて最適化されている。第３モジュール３００は、さらに、再び同じ参照符号を付された幾つかの要素を備えている。さらに、第３のモジュール３００は、付加的な要素と、第３のモジュール３００に存在していない付加的な要素および他の、第１のモジュール１００の要素を含む。
【００５５】
第３のモジュール３００は、既に第１のモジュール１００に存在していたハーフブリッジに並列に接続された他の２つのハーフブリッジを含む。第２のハーフブリッジは、直列接続された２つのＩＧＢＴ３０１ａ，３０１ｂを含み、第３のハーフブリッジは、直列接続された２つのＩＧＢＴ３０２ａ，３０２ｂを含む。付加的なＩＧＢＴ３０１ａ，３０１ｂ，３０２ａ，３０２ｂは、ゲート駆動回路３０３ａ，３０３ｂ，３０４ａ，３０４ｂを有し、これらのゲート駆動回路を介して、それらのＩＧＢＴがモジュール制御部１０７によって駆動制御される。
【００５６】
第３のモジュール３００は３つの交流電圧端子３０５を含み、これらのうち第１の交流電圧端子は第１のハーフブリッジの中間点に接続され、第２の交流電圧端子は第２のハーフブリッジの中間点に接続され、そして第３の交流電圧端子は第３のハーフブリッジの中間点に接続されている。フィルタインダクタンス１１０およびフィルタコンデンサ１１１は、この実施形態による第３のモジュール３００においては存在しないが、しかし、他の実施形態においては、交流電圧端子にフィルタリングされた交流電圧を出力するために、存在するとよい。交流電圧端子３０５のそれぞれへの電流路中には変流器が設けられているが、しかし、その変流器は、図３では図を見やすくする理由から示されていない。
【００５７】
従って、第３のモジュールは３相交流電圧の出力を可能にし、上位に置かれている制御部は、この場合にもやはり、位相角、周波数および／または振幅のような交流電圧に対する抽象化された目標値を設定することができる。モジュール制御部１０７は、３つの生成される個々の交流電圧信号が互いに１２０°だけ位相をずらされているのではなく、自由に選択可能な位相ずれを持つ交流電圧信号が生成されるように、設計することもできる。例えば、３つの交流電圧信号の全てを同相で生成することもできる。
【００５８】
図４は、本発明によるパワー半導体回路の第４の実施形態を示す。第４の実施形態は、この場合もやはり単相用に設計されており、他の単相モジュール１００，２００の場合と同様に、３相構成を提供するべく、複数のモジュール１００，２００を相互に接続することが可能である。図４による第４のモジュール４００は、第１のモジュール１００の幾つかの要素を含み、これらの要素には同じ参照符号が付されている。さらに、第４のモジュール４００には付加的な要素が含まれている。第４のモジュール４００においては、第１のモジュール１００の幾つかの要素が存在していない。
【００５９】
第４のモジュール４００においては、２つの他のＩＧＢＴ４０１ａ，４０２ａが、ＩＧＢＴ１０４ａに並列に、かつ互いに並列に設けられている。付加的なＩＧＢＴ４０１ａ，４０２ａの駆動制御は、第１のモジュール１００のＩＧＢＴ１０４ａのために既に存在しているゲート駆動回路１０５ａを介して行われる。同じようにして、ＩＧＢＴ１０４ｂに並列に、２つの他のＩＧＢＴ４０１ｂ，４０２ｂが存在する。付加的なＩＧＢＴ４０１ｂ，４０２ｂの駆動制御は、ゲート駆動回路１０５ｂを介して行われる。ＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂ，４０１ａ…ｂ，４０２ａ…ｂは、図４においては、図を見やすくするために、それらのＩＧＢＴの内部ダイオードなしに示されている。
【００６０】
第１のモジュール１００とは違って、第４のモジュール４００は、フィルタインダクタンス１１０およびフィルタコンデンサ１１１並びに他の交流電圧端子１１２を含んでいない。第４のモジュール４００は、フィルタインダクタンス１１０およびフィルタコンデンサ１１１のための既製の実装スペースを有するプリント基板を用いて、組み立てられているとよい。この場合に、フィルタインダクタンス１１０のための実装スペースは、適切な構成部品と電気的に接続されており、フィルタコンデンサ１１１のための実装スペースは占有されておらず、従って電気的には遮断されている。同様に、他の交流電圧端子１１２は、例えばネジ端子としてプリント基板１０１上にあるが、フィルタコンデンサ１１１のための構成部品が存在していなければ電気的には機能しない。
【００６１】
付加的なＩＧＢＴ４０１ａ…ｂ，４０２ａ…ｂの並列回路によって、回路の電力範囲が付加的なパワー半導体の個数に応じて拡大される。この場合にも、第４のモジュール４００の所望電力に応じて、実装されるかまたは未実装で空いた状態におかれるパワー半導体用の実装スペースが設けられているよい。
【００６２】
図５は、１つの電力変換装置５００への複数のモジュール３００の配置を示す。電力変換装置５００は直流電圧回路網に接続するための第１の端子５０２ａ，５０２ｂを含み、この直流電圧回路網は、例えば直流電源であるが、しかし負荷であってもよい。第１の端子５０２ａ，５０２ｂ間には、中間回路コンデンサ５０７を有する中間回路５０１が接続されている。中間回路コンデンサ５０７は、容量に関して、電力変換装置全体のために設計されており、従って個々のモジュール３００の転流コンデンサ１０３よりも高い容量を有する。
【００６３】
電力変換装置５００は、多数のモジュール３００を含み、それらのうち、図５には２つのモジュールが示されている。実際には、電力変換装置５００は、あらゆる個数のモジュール３００を含むことができ、モジュール３００の適切な個数は、２，３，４，５または６個である。モジュール３００は、互いに並列に中間回路に接続されている。即ち、第１の直流電圧端子１０２ａが第１の端子５０２ａに接続されており、第２の直流電圧端子１０２ｂが第２の直流電圧端子５０２ｂに接続されている。
【００６４】
さらに、電圧変換装置５００は、電圧変換装置制御部５０３を含み、この電圧変換装置制御部は、制御線５０４を介してモジュール制御部１０７に接続されている。モジュール制御部１０７は、互いに、ここでも５０５によって接続されている。この場合に相互接続は任意である。というのは、制御線５０４のみが使用される星形結線方式も可能であるからである。他の選択肢は、１つの制御線５０４のみが使用され、それにより駆動制御されるモジュール３００が相互接続を介して制御指令を転送する。
【００６５】
複数のモジュール３００の交流電圧端子３０５が、１つの第２の３相端子５０６に統合されている。換言すると、複数のモジュール３００が並列接続されている。個々のモジュール３００内のパワー半導体スイッチは同期してスイッチングされる。
【００６６】
全体として、統合された複数のモジュール３００は、中間回路５０１および電力変換装置制御部５０３と一緒に、整流器またはインバータとして動作することができる１つの電力変換装置５００を構成する。それの総合出力は複数のモジュール３００の合算された出力データからもたらされる。異なる出力クラスの電圧変換装置は、変更された個数のモジュール３００から、または異なるタイプのモジュール１００，２００，３００，４００を使用することにより、構成することができる。例えば、モジュール１００，２００，４００を使用することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成することもできる。
【００６７】
図６は、１つのモジュール１００，２００，３００，４００の概略構造を示す。
【００６８】
１つのモジュール１００，２００，３００，４００はプリント基板１０１を含み、このプリント基板上に電子部品が配置されている。プリント基板１０１上には、銅またはアルミニウムからなる導体路が配置されており、該導体路によって構成部品の接続が提供される。これらの導体路は、図６に示されていない。
【００６９】
プリント基板１０１は、金属基板並びにその基板と導体路との間の電気絶縁層を有するＩＭＳとして構成されている。その基板は、例えばアルミニウムまたは銅からなるとよい。その絶縁層は、例えばセラミック層またはワニスであってよい。
【００７０】
プリント基板１０１の第１の領域には、転流コンデンサ１０３と、パワー半導体１０４と、パワー半導体１０４のためのゲート駆動回路１０５とが配置されている。各半導体スイッチ１０４は、半導体層が容器内に配置されているディスクリート電子装置モジュール、例えばＳＭＤモジュールとして構成されているとよい。これらの電子装置モジュールは、１つのはんだ層によりプリント基板１０１上に固定されており、このはんだ層は、はんだ付け用錫合金によって形成されているとよい。このはんだ層は、例えばウェーブソルダリング法により導体路または電子装置モジュールの接触面に配置されていて、電子装置モジュールはプリント基板１０１にはんだ付けされているとよい。
【００７１】
ゲート駆動回路１０５は、それぞれ従来技術からゲートドライバとして知られているような回路であるとよい。ゲート駆動回路によって、各半導体スイッチ１０４のスイッチングの際に、ゲートのゲート容量が反転充電される。従って、共通なプリント基板１０１上においてディスクリート半導体スイッチ１０４とゲート駆動回路とを相互に接続することによって、駆動回路と半導体スイッチとを低インダクタンスで結合することができる。電流負担能力は、並列化された半導体スイッチ１０４の個数により、用途に応じて調整することができる。
【００７２】
図６のモジュール１００，２００，３００，４００は、さらに通信インターフェース６０４、直流電圧用の端子６０３および交流電圧用の端子６０２を含む。
【００７３】
電子構成要素とは反対の方を向いた側に冷却インターフェース６０１が設けられている。
【符号の説明】
【００７４】
１００              第１のモジュール
１０１              プリント基板
１０２ａ，１０２ｂ  直流電圧端子
１０３              転流コンデンサ
１０４              パワー半導体
１０４ａ，１０４ｂ  ＩＧＢＴ
１０５              ゲート駆動回路
１０５ａ，１０５ｂ  ゲート駆動回路
１０６              交流電圧端子
１０７              モジュール制御部
１０８              電圧変換器
１０９              温度センサ
１１０              フィルタインダクタンス
１１１              フィルタコンデンサ
１１２              他の交流電圧端子
１１３              変流器
２００              第２のモジュール
２０２              第３の直流電圧端子
２０３ａ，２０３ｂ  転流コンデンサ
２０８ａ，２０８ｂ  電圧変換器
２１３              転流コンデンサ間の電位点
２１４              両極性スイッチ
２１５ａ，２１５ｂ  ダイオード
２１６ａ，２１６ｂ  ＩＧＢＴ
２１７ａ，２１７ｂ  ゲート駆動回路
３００              第３のモジュール
３０１ａ，３０１ｂ  ＩＧＢＴ
３０２ａ，３０２ｂ  ＩＧＢＴ
３０３ａ，３０３ｂ  ゲート駆動回路
３０４ａ，３０４ｂ  ゲート駆動回路
３０５              交流電圧端子
４００              第４のモジュール
４０１ａ            ＩＧＢＴ
４０２ａ            ＩＧＢＴ
５００              電力変換装置
５０１              中間回路
５０２ａ，５０２ｂ  第１の端子
５０３              電力変換装置制御部
５０４              制御線
５０５              相互接続
５０６              ３相端子
５０７              中間回路コンデンサ
６０１              冷却インターフェース
６０２              交流電圧用の端子
６０３              直流電圧用の端子
６０４              通信インターフェース
【図１】
2020515217.tif 000003
【図２】
2020515217.tif 000004
【図３】
2020515217.tif 000005
【図４】
2020515217.tif 000006
【図５】
2020515217.tif 000007
【図６】
2020515217.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月1日(2019.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
【図１】図１は本発明によるパワー半導体回路の第１の実施形態の回路図である。
【図２】図２は図１に基づくパワー半導体回路の構成を示す回路図である。
【図３】図３は本発明によるパワー半導体回路の第２の実施形態の回路図である。
【図４】図４は本発明によるパワー半導体回路の第３の実施形態の回路図である。
【図５】図５は電力変換器を形成するための複数のモジュールの配置を示す回路図である。
【図６】図６はモジュールの概略構成を示す斜視図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
プリント基板１０１上には、第１のモジュール１００の他の要素として、転流コンデンサ１０３と、電圧変換器１０８と、マイクロプロセッサ形式のモジュール制御部１０７と、２つのＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂおよび２つの付属のゲート駆動回路１０５ａ，１０５ｂを有するハーフブリッジと、温度センサ１０９と、フィルタインダクタンス１１０と、フィルタコンデンサ１１１と、変流器１１３とが配置されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
モジュール制御部１０７は、さらにゲート駆動回路１０５ａ，１０５ｂに接続されており、これらのゲート駆動回路を制御して、ＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂを、例えばパルス幅変調のスイッチングパターンでオン・オフする。ゲート駆動回路１０５ａ，１０５ｂは、できるだけ短い適切な制御線を介してＩＧＢＴ１０４ａ，１０４ｂのゲートコンタクトに接続されている。
【国際調査報告】
2020515217.tif 000009
2020515217.tif 000010
2020515217.tif 000011
2020515217.tif 000012