DE-102024139105-A1 - Mehrstufenwechselrichtersystem mit X-Typ-Mehrstufenwandler mit gegenseitiger Induktivitätsaufhebung

Abstract

Mehrphasiger Wechselrichter für ein elektrisches Antriebssystem, der eine Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenleistungswandlern enthält, die als integrierte Festkörperschaltungen angeordnet sind. Jeder X-Typ-Mehrstufenleistungswandler beinhaltet einen positiven Gleichstrom (DC)-Leistungsbus, einen negativen DC-Leistungsbus, einen ersten Wechselstrom (AC)-Bus, einen zweiten AC-Leistungsbus, eine erste Klemmdiode, eine zweite Klemmdiode, ein Leistungsmodulsubstrat, das auf einem isolierenden Substrat angeordnet ist, und eine Wärmesenke benachbart zu einer ersten Seite des isolierenden Substrats. Das Leistungsmodulsubstrat beinhaltet eine Vielzahl von Halbleiterschaltern, die jeweils eine Vielzahl von lateralen Halbleiter-Dies beinhalten, die jeweils Gate-Steueranschlüsse aufweisen. Die Vielzahl von Halbleiterschaltern, die erste Klemmdiode und die zweite Klemmdiode sind koplanar, wobei die DC-Leistungsanschlüsse auf einer Seite des X-Typ-Mehrstufenleistungswandlers und die Hilfs- und Ausgangsanschlüsse auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.

Inventors

• Benjamin S. Ngu
• Chandra S. Namuduri
• Yilun Luo
• Khorshed Mohammed Alam
• Rashmi Prasad
• Richard M. Nichols III

Assignees

• GM Global Technology Operations LLC

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241219

Priority Date

20241106

Claims (10)

1. Mehrphasiger Wechselrichter für ein elektrisches Antriebssystem, wobei der mehrphasige Wechselrichter umfasst: eine Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenleistungswandlern, die angeordnet sind, um elektrische Leistung zwischen einer Hochspannungs-Gleichstrom (DC)-Leistungsquelle und einer elektrischen Maschine zu übertragen, wobei jeder der Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenleistungswandlern eine integrierte Festkörperschaltung (IC) ist, die enthält: einen positiven DC-Leistungsbus; einen negativen DC-Leistungsbus; einen ersten Wechselstrom (AC)-Bus; einen zweiten AC-Leistungsbus; eine erste Klemmdiode; eine zweite Klemmdiode; ein Leistungsmodulsubstrat, das auf einem isolierenden Substrat angeordnet ist; eine Wärmesenke benachbart zu einer ersten Seite des isolierenden Substrats; und wobei das Leistungsmodulsubstrat beinhaltet: eine Vielzahl von Halbleiterschaltern, die einen ersten Halbleiterschalter, einen zweiten Halbleiterschalter, einen dritten Halbleiterschalter, einen vierten Halbleiterschalter, einen fünften Halbleiterschalter, einen sechsten Halbleiterschalter, einen siebten Halbleiterschalter, und einen achten Halbleiterschalter beinhaltet; wobei der erste Halbleiterschalter, der zweite Halbleiterschalter, der dritte Halbleiterschalter, und der vierte Halbleiterschalter zwischen dem positiven DC-Leistungsbus und dem negativen DC-Leistungsbus in Reihe geschaltet sind; wobei der erste Halbleiterschalter mit dem zweiten Halbleiterschalter an einem ersten Knoten verbunden ist, wobei der zweite Halbleiterschalter mit dem dritten Halbleiterschalter an einem zweiten Knoten verbunden ist, und wobei der dritte Halbleiterschalter mit dem vierten Halbleiterschalter an einem dritten Knoten verbunden ist; wobei der fünfte Halbleiterschalter, der sechste Halbleiterschalter, der siebte Halbleiterschalter, und der achte Halbleiterschalter zwischen dem positiven DC-Leistungsbus und dem negativen DC-Leistungsbus in Reihe geschaltet sind; wobei der fünfte Halbleiterschalter mit dem sechsten Halbleiterschalter an einem vierten Knoten verbunden ist, wobei der sechste Halbleiterschalter mit dem siebten Halbleiterschalter an einem fünften Knoten verbunden ist, und wobei der siebte Halbleiterschalter mit dem achten Halbleiterschalter an einem sechsten Knoten verbunden ist; wobei die erste Klemmdiode zwischen dem dritten Knoten und dem vierten Knoten verbunden ist; wobei die zweite Klemmdiode zwischen dem ersten Knoten und dem sechsten Knoten verbunden ist; wobei der zweite Knoten mit dem ersten AC-Leistungsbus verbunden ist; wobei der fünfte Knoten mit dem zweiten AC-Leistungsbus verbunden ist; wobei jeder der Vielzahl von Halbleiterschaltern eine Vielzahl von lateralen Halbleiter-Dies beinhaltet, und wobei jeder der Vielzahl von lateralen Halbleiter-Dies Gate-Steueranschlüsse beinhaltet; und wobei die Vielzahl von Halbleiterschaltern, die erste Klemmdiode und die zweite Klemmdiode koplanar sind.
2. Mehrphasiger Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei der erste AC-Leistungsbus und der zweite AC-Leistungsbus koplanar sind.
3. Mehrphasiger Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei der erste AC-Leistungsbus und der zweite AC-Leistungsbus parallel zueinander sind.
4. Mehrphasiger Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei der erste AC-Leistungsbus und der zweite AC-Leistungsbus laminiert sind.
5. Mehrphasiger Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei der positive DC-Leistungsbus und der negative DC-Leistungsbus parallel zueinander sind.
6. Mehrphasiger Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei sich jeder von dem ersten AC-Leistungsbus, dem zweiten AC-Leistungsbus, dem positiven DC-Leistungsbus und dem negativen DC-Leistungsbus über eine obere Kante des X-Typ-Mehrstufenleistungswandlers hinaus erstreckt.
7. Mehrphasiger Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei sich der positive DC-Leistungsbus und der negative DC-Leistungsbus über eine obere Kante des X-Typ-Mehrstufenleistungswandlers hinaus erstrecken und wobei sich der erste AC-Leistungsbus und der zweite AC-Leistungsbus über eine untere Kante des X-Typ-Mehrstufenleistungswandlers hinaus erstrecken.
8. Mehrphasiger Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei sich der positive DC-Leistungsbus und der negative DC-Leistungsbus über eine obere Kante des X-Typ-Mehrstufenleistungswandlers hinaus erstrecken und wobei sich der erste AC-Leistungsbus und der zweite AC-Leistungsbus senkrecht zu dem X-Typ-Mehrstufenleistungswandler von einem mittleren Abschnitt des X-Typ-Mehrstufenleistungswandlers erstrecken.
9. Mehrphasiger Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei Zwischenverbindungen eines oder mehrere von Drahtbonden, Bandbonden, Clipbonden und direktem Kupferbusbonden beinhalten.
10. Mehrphasiger Wechselrichter für ein elektrisches Antriebssystem, wobei der mehrphasige Wechselrichter umfasst: eine Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenleistungswandlern, die angeordnet sind, um elektrische Leistung zwischen einer Hochspannungs-Gleichstrom (DC)-Leistungsquelle und einer elektrischen Maschine zu übertragen, wobei jeder der Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenleistungswandlern eine integrierte Festkörperschaltung (IC) ist, die enthält: einen positiven DC-Leistungsbus; einen negativen DC-Leistungsbus; einen ersten Wechselstrom (AC)-Bus; einen ersten Hilfsbus; einen zweiten Hilfsbus; eine Vielzahl von Halbleiterschaltern, die auf einer isolierenden Substratplatine angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Halbleiterschaltern einen ersten Halbleiterschalter, einen zweiten Halbleiterschalter, einen dritten Halbleiterschalter, und einen vierten Halbleiterschalter beinhaltet; eine Wärmesenke, die über ein thermisch leitfähiges Grenzflächenmaterial an die isolierende Substratplatine angrenzt; wobei der erste Halbleiterschalter, der zweite Halbleiterschalter, der dritte Halbleiterschalter, und der vierte Halbleiterschalter zwischen dem positiven DC-Leistungsbus und dem negativen DC-Leistungsbus in Reihe geschaltet sind; wobei der erste Halbleiterschalter mit dem zweiten Halbleiterschalter an einem ersten Knoten verbunden ist, wobei der zweite Halbleiterschalter mit dem dritten Halbleiterschalter an einem zweiten Knoten verbunden ist, und wobei der dritte Halbleiterschalter mit dem vierten Halbleiterschalter an einem dritten Knoten verbunden ist; wobei der erste Knoten mit dem ersten Hilfsbus verbunden ist; wobei der zweite Knoten mit dem ersten AC-Leistungsbus verbunden ist; und wobei der dritte Knoten mit dem zweiten Hilfsbus verbunden ist.

Description

Einleitung Die hierin beschriebenen Konzepte beziehen sich im Allgemeinen auf Fahrzeuge, die elektrifizierte Antriebsstrang- oder Antriebssysteme verwenden, die mit Gleichstrom (DC)-Leistungsversorgungen zusammengesetzt sind, die elektrische DC-Leistung bereitstellen, die über mehrphasige Wechselrichter in elektrische Wechselstrom (AC)-Leistung umgewandelt wird, um den Betrieb einer oder mehrerer elektrischer Maschinen zu steuern. Hochspannungs- und Hochleistungs-Mehrstufenwechselrichter (engl.: multilevel inverters, MLIs) haben Aufmerksamkeit gewonnen, da der Transportelektrifizierungstrend von Verbraucher- und Nutzfahrzeugen schnell zu Massentransitsystemen mit hoher Kapazität wie Elektroflugzeugen, Zügen und Schiffen hin zunimmt. MLIs wie Neutral-Point-Clamped (NPC)- und T-Typ-Wechselrichter stellen Hochspannungs- und Hochleistungs-Betriebsfähigkeiten bereit, beinhalten jedoch gestapelte DC-Zwischenkreiskondensatoren mit einer Neutralpunktverbindung für einen Nullspannungsvektor. Diese Neutralpunktverbindung zu dem gestapelten DC-Zwischenkreiskondensator kann einen Neutralstrom erzeugen, der bei der dreifachen Grundfrequenz oszilliert, was ein Kondensatorspannungsungleichgewicht und eine Überspannungsbelastung an Kondensatoren und Schaltvorrichtungen verursachen kann. Eine Mehrphasenwechselrichterschaltung kann eine inhärente Leistungsschleife erzeugen, in der ein hoher Strom von einem DC-Zwischenkreiskondensator zu einer High-Seite des Mehrstufenwechselrichters, dann zu einer Low-Seite des Mehrstufenwechselrichters und zurück fließt. Die Leistungsschleife kann ein Magnetfeld erzeugen, das eine parasitäre Induktivität bildet. Da Mehrphasenwechselrichter bei höheren Schaltfrequenzen arbeiten können, können selbst kleine Pegel der parasitären Induktivität zu Problemen führen, zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, Rufen und/oder elektromagnetische Interferenz (engl.: electromagnetic interference, EMI). Der Stromflussweg bestimmt die Größe der Leistungsschleife, die die Größe des erzeugten Magnetfelds und somit die Größe der parasitären Induktivität bestimmt. Der Stromflussweg ist durch die Topologie der Schaltung definiert, und daher kann die Topologie der Schaltung die Größe der parasitären Induktivität beeinflussen. Da ein X-Typ-Mehrstufenwechselrichter einen Stromflussweg durch ein Paar externer X-Dioden beinhalten kann, wird eine Länge der Leistungsschleife erhöht, was zu einer erhöhten parasitären Induktivität führt. Zusammenfassung In Anbetracht der obigen Erörterung ist es nützlich, ein System zum Integrieren von Leistungshalbleitervorrichtungen mit selektiven aktiven und passiven vertikalen und/oder lateralen Halbleiterchips zu entwickeln, um eine gegenseitige Induktivitätsaufhebung für einen Mehrphasenwechselrichter mit einer Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenwandlern mit einer Topologie zu bewirken, die die parasitäre Induktivität innerhalb des Mehrphasenwechselrichters und/oder innerhalb jedes X-Typ-Mehrstufenwandlers reduziert. Die hierin offenbarten Konzepte beziehen sich auf ein System für einen Mehrphasenwechselrichter mit einer Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenwandlern, die eine gegenseitige Induktivitätsaufhebung erreichen. Ein solches System kann in Fahrzeugen mit einem elektrifizierten Antriebssystem verwendet werden, zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, ein Kraftfahrzeug mit einem elektrifizierten Antriebsstrang oder Antriebssystem, z. B. ein Elektrofahrzeug (EV) oder Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) oder eine andere mobile Plattform, die von einem elektrischen Antriebssystem angetrieben werden kann, um die parasitäre Induktivität innerhalb des Mehrphasenwechselrichters zu reduzieren. Jeder Mehrphasenwechselrichter kann eine Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenleistungswandlern enthalten, die zwischen einer Hochspannungs-Gleichstrom (DC)-Leistungsquelle und einer elektrischen Maschine angeordnet sind. Die Anzahl der erforderlichen X-Typ-Mehrstufenwandler ist anwendungsspezifisch. Jeder X-Typ-Mehrstufenwandler kann als eine integrierte Festkörperschaltung (engl.: integrated circuit, IC) konfiguriert sein, die eine Vielzahl von Schaltungskomponenten enthält, zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, Halbleiterschalter und Sammelschienen, die verbunden sind, um ein Netzwerk von Verbindungen zu bilden, durch die Strom fließen kann. Die Form dieses Netzwerks von miteinander verbundenen Schaltungen wird als Schaltungstopologie bezeichnet. Die hierin beschriebenen Konzepte stellen einen Mehrphasenwechselrichter bereit, der vorteilhafterweise angeordnet ist, um Streuinduktivität und Schleifeninduktivität unter Verwendung einer Magnetfeldaufhebung zu minimieren. Dies beinhaltet die Verwendung von Aufhebungsfeldern durch Anordnen von positiven, neutralen und negativen Bussen und einer Vielzahl von X-Typ-Mehrstufenleistungswandlern, die in integrierten Festkörperschaltungen angeordnet sind, die lateral unterteilte Elemente aufweisen. Die Anordnung der X-Typ-Mehrstufenleistungswandler mit lateral untertei