DE102011075089A1

DE102011075089A1 - Inverter for controlling electric current through inductive load such as phase of electric motor, has bulk terminal which is provided with source terminal for switching of integrated diode connected in the current path

Info

Publication number: DE102011075089A1
Application number: DE102011075089A
Authority: DE
Inventors: Jens Onno Krah
Original assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-02
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2012-11-08

Abstract

The inverter (101) has several potential terminals (103,105,107) for providing respective potential at a load terminal (109) for the connection of inductive load. The current paths (111,113,115) are formed between the potential terminals and the load terminal. A semiconductor switching element (117) with a MOSFET (119) is connected to load terminal. The bulk terminal of the MOSFET is provided with source terminal (123) for switching of integrated diode (127) such as free-wheeling diode, connected in the current path.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter zum Steuern eines elektrischen Stroms durch eine induktive Last. Die Erfindung betrifft ferner ein Antriebssystem umfassend einen Umrichter sowie eine Verwendung eines Umrichters in einer regenerativen Energieerzeugungseinrichtung. The invention relates to a converter for controlling an electric current through an inductive load. The invention further relates to a drive system comprising a converter and to a use of an inverter in a regenerative power generating device.

Es ist bekannt, elektrische Antriebe mit veränderlicher Drehzahl zu betreiben, um Energie zu sparen und um Prozesse zu automatisieren. Die dafür erforderlichen Umrichter erreichen das durch eine so genannte Pulsweitenmodulation (PWM). It is known to operate variable speed electrical drives to save energy and to automate processes. The necessary converters achieve this by means of a so-called pulse width modulation (PWM).

Zur Steuerung und Regelung der elektrischen Antriebe werden in der Regel Frequenzumrichter mit einem Spannungszwischenkreis verwendet. Aus einer Netzspannung, in der Regel eine Dreiphasendrehspannung, wird über eine B6-Diodenbrücke oder über einen Einspeiseumrichter eine Gleichspannung erzeugt. Diese Gleichspannung wird dann meist über sechs hart schaltende Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, im Englischen als insulated-gate bipolar transistor (IGBT) bezeichnet, zurück in eine Drehspannung umgeformt. Amplitude und Frequenz können in Grenzen frei vorgegeben werden. Darüber können dann Drehzahl bzw. Drehmoment des elektrischen Antriebes, insbesondere eines Elektromotors, eingestellt werden. Die Ansteuerung der sechs IGBT-Schalter als so genannte Leistungstransistoren, erfolgt üblicherweise über eine Pulsweitenmodulation. Hierbei werden insbesondere die so genannte Sinusmodulation oder die Raumzeigermodulation verwendet. Frequency converters with a voltage intermediate circuit are generally used to control and regulate the electrical drives. From a mains voltage, usually a three-phase rotary voltage, a DC voltage is generated via a B6 diode bridge or via a feed converter. This DC voltage is then usually about six hard-switching bipolar transistors with insulated gate electrode, referred to in English as insulated-gate bipolar transistor (IGBT), formed back into a three-phase voltage. Amplitude and frequency can be freely specified within limits. In addition then speed or torque of the electric drive, in particular an electric motor can be adjusted. The control of the six IGBT switches as so-called power transistors, usually takes place via a pulse width modulation. In particular, the so-called sine modulation or space vector modulation are used here.

Die bekannten elektronischen Schalter arbeiten in der Regel nicht ideal. Es fallen Durchlassverluste an, wenn der Leistungstransistor eingeschaltet ist. Zusätzlich fallen Schaltverluste beim Ein- und Ausschalten an. Die Schaltverluste sind hierbei näherungsweise proportional zur Zwischenkreisspannung, dem zu schaltenden Strom und der Schaltfrequenz. The known electronic switches usually do not work ideal. Pass losses occur when the power transistor is turned on. In addition, switching losses occur when switching on and off. The switching losses are approximately proportional to the intermediate circuit voltage, the current to be switched and the switching frequency.

Die Wahl der Schaltfrequenz ist hierbei immer ein Kompromiss: eine hohe Schaltfrequenz ermöglicht kurze Reaktionszeiten und einen geringen Stromripple. Eine niedrige Schaltfrequenz senkt die Schaltverluste und verbessert dadurch den Wirkungsgrad. The choice of the switching frequency is always a compromise: a high switching frequency enables short reaction times and a low current ripple. A low switching frequency lowers the switching losses and thereby improves the efficiency.

Im Bereich großer Umrichter, beispielsweise für Bahnantriebe, wird üblicherweise eine so genannte Dreipunktschaltung verwendet. Hierbei werden zwölf statt sechs hart schaltende IGBT mit einer niedrigeren Spannungsfestigkeit verwendet. In the field of large inverters, for example for railway drives, usually a so-called three-point circuit is used. Twelve instead of six hard-switching IGBTs with a lower dielectric strength are used.

Ferner sind bei den bekannten Umrichtern Schutzdioden, auch Freilaufdioden genannt, parallel zu den Leistungstransistoren geschaltet, um diese vor einer Überspannung beim Abschalten des elektrischen Antriebes zu schützen. Diese externen Freilaufdioden müssen zusätzlich zu den eigentlichen Leistungstransistoren mit den entsprechenden Strompfaden verbunden werden, was einen zusätzlichen zeitlichen Aufwand verursacht. Ferner entstehen durch das Vorsehen dieser zusätzlichen elektronischen Bauelemente weitere Kosten. Furthermore, in the known converters protection diodes, also called freewheeling diodes, connected in parallel with the power transistors to protect them from overvoltage when switching off the electric drive. These external freewheeling diodes must be connected in addition to the actual power transistors with the corresponding current paths, which causes additional time. Furthermore, by providing these additional electronic components further costs.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 056 400 A1 ist eine Umrichterschaltung mit Überspannungsschutz bekannt. Hierbei weist der Umrichter sechs IGBT auf, wobei jeweils eine Freilaufdiode parallel zu den IGBT geschaltet ist. From the publication DE 10 2008 056 400 A1 is a converter circuit with overvoltage protection known. In this case, the inverter has six IGBT, wherein in each case a freewheeling diode is connected in parallel to the IGBT.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 002 332 A1 ist ein Mehrstufenumrichter mit selbstleitenden Transistoren bekannt, wobei auch hier externe Freilaufdioden parallel zu den Transistoren geschaltet sind. From the publication DE 10 2009 002 332 A1 is a Mehrstufenumrichter known with normally-on transistors, external freewheeling diodes are connected in parallel to the transistors here too.

Ferner werden in der Regel Umrichter und Wechselrichter auch in regenerativen Energieerzeugungseinrichtungen zur Netzeinspeisung verwendet. Furthermore, as a rule, inverters and inverters are also used in regenerative power generation facilities for grid feed-in.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, einen Umrichter zum Steuern eines elektrischen Stroms durch eine induktive Last anzugeben, welcher die bekannten Nachteile überwindet und einfach und kostengünstig herzustellen ist. The object underlying the invention can therefore be seen to provide an inverter for controlling an electric current through an inductive load, which overcomes the known disadvantages and is simple and inexpensive to manufacture.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, ein entsprechendes Antriebssystem anzugeben. The object underlying the invention can also be seen to provide a corresponding drive system.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, eine entsprechende Verwendung eines Umrichters anzugeben. The object underlying the invention can also be seen to indicate a corresponding use of an inverter.

Diese Aufgaben werden mittels des Gegenstands nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen. These objects are achieved by means of the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of each dependent subclaims.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Umrichter zum Steuern eines elektrischen Stroms durch eine induktive Last bereitgestellt. Bei der induktiven Last kann es sich beispielsweise um eine Phase eines elektrischen Antriebs, insbesondere eines Elektromotors, handeln. Der Umrichter weist mehrere Potentialanschlüsse auf, welche jeweils ein Potential an einem Lastanschluss bereitstellen. An diesem Lastanschluss wird die induktive Last angeschlossen. Hierbei sind zwischen den einzelnen Potentialanschlüssen und dem Lastanschluss jeweils entsprechende Strompfade gebildet. In zumindest einem der Strompfade ist zumindest ein Halbleiterschaltelement geschaltet. Dieses Halbleiterschaltelement ist als ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) gebildet. Hierbei steht die Abkürzung MOSFET für die englischen Begriffe metal oxide semiconductor field-effect transistor. According to one aspect of the invention, there is provided an inverter for controlling an electric current through an inductive load. The inductive load may be, for example, a phase of an electric drive, in particular an electric motor. The inverter has a plurality of potential terminals, each of which provides a potential at a load terminal. The inductive load is connected to this load connection. In each case corresponding current paths are formed between the individual potential terminals and the load terminal. In at least one of the current paths, at least one semiconductor switching element is connected. This Semiconductor switching element is formed as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). Here, the abbreviation MOSFET stands for the English terms metal oxide semiconductor field-effect transistor.

Ein solcher MOSFET weist in der Regel einen Gate-Anschluss, einen Source-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Bulk-Anschluss auf. Bulk steht hier insbesondere für das Substrat des MOSFET. Gate steht insbesondere für die Steuerelektrode des MOSFET. Drain steht insbesondere für den Abfluss des MOSFET. Source steht insbesondere für die Quelle des MOSFET. Hierbei ist vorzugsweise intern das Bulk mit der Source verbunden. Such a MOSFET typically has a gate terminal, a source terminal, a drain terminal and a bulk terminal. Bulk stands here in particular for the substrate of the MOSFET. Gate stands in particular for the control electrode of the MOSFET. Drain is especially for the drain of the MOSFET. Source stands in particular for the source of the MOSFET. In this case, the bulk is preferably internally connected to the source.

Erfindungsgemäß ist der Source-Anschluss des MOSFET mit dem Bulk-Anschluss des MOSFET verbunden, um eine integrierte Body-Diode des MOSFET als Diode, insbesondere als Freilaufdiode oder Clamp-Diode, in den Strompfad zu schalten. Die integrierte Body-Diode wirkt also je nach Schaltung des MOSFET insbesondere als Freilaufdiode und/oder als Clamp-Diode. Das heißt also, dass der mit dem Source-Anschluss verbundene Bulk-Anschluss mit dem Drain den PN-Übergang einer Diode bildet. Vorzugsweise ist die Body-Diode als eine schnelle Body-Diode ausgebildet. Schnell bedeutet hier insbesondere, dass der MOSFET ausgelegt ist, bei hohen Taktfrequenzen betrieben zu werden. Schnell bedeutet weiterhin insbesondere eine geringe „reverse recovery“ Ladung Qrr. Eine hohe Taktfrequenz kann beispielsweise größer gleich 20 kHz sein. According to the invention, the source terminal of the MOSFET is connected to the bulk terminal of the MOSFET in order to switch an integrated body diode of the MOSFET as a diode, in particular as a free-wheeling diode or clamp diode, into the current path. The integrated body diode thus acts depending on the circuit of the MOSFET in particular as a freewheeling diode and / or as a clamp diode. That is to say, the drain connected to the source terminal forms the PN junction of a diode with the drain. Preferably, the body diode is designed as a fast body diode. Fast here means in particular that the MOSFET is designed to be operated at high clock frequencies. Fast also means in particular a low "reverse recovery" charge Qrr. For example, a high clock frequency may be greater than or equal to 20 kHz.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebssystem bereitgestellt, welches einen elektrischen Antriebsmotor umfasst. Dieser elektrische Antriebsmotor weist zumindest eine Phase auf, insbesondere drei Phasen. Die Phase ist hierbei mit dem Lastanschluss des Umrichters verbunden. According to a further aspect of the invention, a drive system is provided which comprises an electric drive motor. This electric drive motor has at least one phase, in particular three phases. The phase is connected to the load connection of the inverter.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Umrichter zum Steuern eines elektrischen Stroms durch eine induktive Last in einer regenerativen Energieerzeugungseinrichtung verwendet. Bei der regenerativen Energieerzeugungseinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Photovoltaiksystem handeln. According to another aspect of the invention, the inverter is used for controlling an electric current through an inductive load in a regenerative power generation device. The regenerative energy generating device may be, for example, a photovoltaic system.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine regenerative Energieerzeugungseinrichtung, vorzugsweise ein Photovoltaiksystem, bereitgestellt mit einem Umrichter zum Steuern eines elektrischen Stroms durch eine induktive Last für eine Netzeinspeisung von mittels der regenerativen Energieerzeugungseinrichtung erzeugte elektrische Energie. According to another aspect of the invention, there is provided a regenerative power generating device, preferably a photovoltaic system, comprising a converter for controlling an electric current through an inductive load for feeding in grid electrical energy generated by the regenerative power generating means.

Die Erfindung umfasst also den Gedanken, ein beliebiges Halbleiterschaltelement eines Umrichters, welcher vorzugsweise als ein 5 kW-Umrichter gebildet ist und so in vorteilhafter Weise auch bei höheren Leistungen betrieben werden kann, durch einen MOSFET mit integrierter Body-Diode, vorzugsweise mit schneller integrierter Body-Diode, zu ersetzen, wobei diese integrierte Body-Diode als Diode in dem Strompfad, insbesondere als Freilaufdiode oder als Clamp-Diode, genutzt wird. Die integrierte Body-Diode des MOSFET wirkt also beispielsweise als eine Freilaufdiode oder eine Clamp-Diode. Es kann so in vorteilhafter Weise beispielsweise auf eine zusätzliche externe Freilaufdiode für den MOSFET als Halbleiterschaltelement verzichtet werden, welche gemäß dem bekannten Stand der Technik parallel zu dem Halbleiterschaltelement geschaltet ist. Dies spart in vorteilhafter Weise einen zeitlichen Aufwand bei der Herstellung des Umrichters sowie Materialkosten ein. Ein entsprechender Schaltungsaufbau bzw. eine entsprechende Schaltungstopologie ist insofern in vorteilhafter Weise weniger komplex und entsprechend weniger fehleranfällig bis überhaupt nicht fehleranfällig. The invention thus includes the idea that any semiconductor switching element of an inverter, which is preferably formed as a 5 kW inverter and can be operated in an advantageous manner at higher powers, by a MOSFET with integrated body diode, preferably with faster integrated body To replace, this integrated body diode is used as a diode in the current path, in particular as a freewheeling diode or as a clamp diode. The integrated body diode of the MOSFET thus acts, for example, as a freewheeling diode or a clamp diode. It can be dispensed so advantageously, for example, an additional external freewheeling diode for the MOSFET as a semiconductor switching element, which is connected in parallel to the semiconductor switching element according to the known prior art. This advantageously saves time in the production of the converter and material costs. A corresponding circuit structure or a corresponding circuit topology is advantageously less complex and correspondingly less prone to error or even prone to error.

Weiterhin ist es mittels des MOSFET in vorteilhafter Weise möglich, eine Verlustleistung und/oder eine Schaltleistung zu reduzieren, indem insbesondere während solcher Betriebszustände, bei denen die integrierte Body-Diode als ein Gleichrichterelement in Stromflussrichtung gepolt ist, der MOSFET leitend angesteuert wird, so dass sich parallel zu der in Stromflussrichtung betriebenen Body-Diode ein leitender Kanal (MOS-Kanal) in dem MOSFET ausbildet. Ein elektrischer Strom fließt dann hauptsächlich über diesen MOS-Kanal, der einen niedrigeren Einschaltwiderstand besitzt als die in Stromflussrichtung gepolte integrierte Body-Diode. Hieraus resultiert in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der Verlustleistung. Bevor es zu einer Umkehr bzw. Umpolung der über das Halbleiterschaltelement anliegenden Spannung kommt, bei welcher das Halbleiterschaltelement sperren soll, wird der MOS-Kanal rechtzeitig abgeschaltet. Furthermore, it is advantageously possible by means of the MOSFET to reduce a power loss and / or a switching power, in particular during such operating states in which the integrated body diode is poled as a rectifier element in the current flow direction, the MOSFET is turned on, so that a conductive channel (MOS channel) is formed in the MOSFET parallel to the operated in the current flow direction body diode. An electric current then flows mainly through this MOS channel, which has a lower on-resistance than the polarized in the direction of current flow integrated body diode. This advantageously results in a reduction of the power loss. Before there is a reversal or reversal of the voltage applied across the semiconductor switching element voltage at which the semiconductor switching element is to block, the MOS channel is switched off in a timely manner.

Dadurch, dass geringere Verluste anfallen, reicht ein im Vergleich zum Stand der Technik kleinerer Kühlkörper aus, um diese Verlustwärme abzuführen. Insbesondere ist somit ein besonders kompakter Aufbau des Umrichters ermöglicht. Weiterhin ist es aufgrund des kompakten Aufbaus in vorteilhafter Weise ermöglicht, den Umrichter in einen elektrischen Antriebsmotor zu integrieren. As a result of lower losses, a smaller heat sink, which is smaller in comparison with the prior art, is sufficient to dissipate this heat loss. In particular, thus a particularly compact design of the inverter is possible. Furthermore, it is possible due to the compact design advantageously to integrate the inverter in an electric drive motor.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der MOSFET zum Schalten der induktiven Last in dem Strompfad angeordnet. Das heißt also insbesondere, dass der MOSFET die induktive Last, insbesondere die Phase des Elektromotors, schaltet. Die sich hierbei ergebenden Vorteile sind analog zu den obigen beschriebenen Vorteilen. According to one embodiment of the invention, the MOSFET for switching the inductive load is arranged in the current path. This means, in particular, that the MOSFET switches the inductive load, in particular the phase of the electric motor. The resulting advantages are analogous to the advantages described above.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der MOSFET zum Gleichrichten einer Wechselspannung in dem Strompfad angeordnet. Das heißt also insbesondere, dass der MOSFET derart in dem Strompfad angeordnet ist, dass er als ein Gleichrichterelement wirkt. Im bekannten Stand der Technik werden solche Gleichrichterelemente mittels so genannter Clamp-Dioden gebildet. Erfindungsgemäß wird nun eine solche Clamp-Diode bzw. Clamp-Dioden, durch den MOSFET mit integrierter Body-Diode ersetzt, wobei der Source-Anschluss des MOSFET mit dem Bulk-Anschluss des MOSFET zum Nutzen der integrierten Body-Diode verbunden ist. Hierdurch sind in vorteilhafter Weise weitere Reduzierungen von Verlustleistungen ermöglicht. Weiterhin können die MOSFET und die weiteren Halbleiterschaltelemente des Umrichters sich zumindest teilweise eine gemeinsame Gate-Treiberspannungsversorgung teilen, was einen schaltungstechnischen Aufwand in vorteilhafter Weise erheblich reduziert und weitere energetische Einsparpotentiale aufweist. According to another embodiment of the invention, the MOSFET is for rectifying a AC voltage arranged in the current path. This means, in particular, that the MOSFET is arranged in the current path in such a way that it acts as a rectifier element. In the known state of the art, such rectifier elements are formed by means of so-called clamp diodes. According to the invention, such a clamp diode or clamp diodes, replaced by the MOSFET with integrated body diode, wherein the source terminal of the MOSFET is connected to the bulk terminal of the MOSFET for the benefit of the integrated body diode. As a result, further reductions of power losses are possible in an advantageous manner. Furthermore, the MOSFET and the other semiconductor switching elements of the converter can at least partially share a common gate driver power supply, which significantly reduces a circuit complexity in an advantageous manner and has further energy-saving potentials.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere MOSFET gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Auch diese MOSFET weisen eine integrierte Body-Diode auf, wobei diese verwendet bzw. benutzt wird, indem der Bulk-Anschluss des MOSFET mit dem Source-Anschluss des MOSFET verbunden ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Reihenschaltung teilt sich eine Spannung auf die einzelnen MOSFET auf. Der einzelne MOSFET an sich kann insofern für eine niedrigere Spannung ausgelegt sein, obwohl in der Summe eine hohe Spannung an dem in Reihe geschalteten MOSFET anliegt. Eine hohe Spannung bedeutet hier insbesondere eine Spannung von etwa 1200 V. Bei einer Reihenschaltung von zwei MOSFET reicht insofern eine Spannungsfestigkeit des einzelnen MOSFET von 600 V aus. Vorzugsweise ist der einzelne MOSFET aber für eine Spannung von 650 V ausgelegt, um in vorteilhafter Weise noch eine Sicherheitsmarge zu haben. In another embodiment of the invention, a plurality of MOSFETs are formed, which are connected in series. These MOSFETs also have an integrated body diode, which is used or is used by the bulk terminal of the MOSFET is connected to the source terminal of the MOSFET. Due to the series connection according to the invention, a voltage is divided between the individual MOSFETs. As such, the single MOSFET may be designed for a lower voltage, even though in total there is a high voltage across the series-connected MOSFET. In this case, a high voltage means in particular a voltage of approximately 1200 V. In the case of a series connection of two MOSFETs, a voltage resistance of the individual MOSFET of 600 V is sufficient. Preferably, however, the single MOSFET is designed for a voltage of 650 V in order to advantageously still have a safety margin.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind zwei Strompfade gebildet, welche einen gemeinsamen Strompfadabschnitt aufweisen, wobei in dem gemeinsamen Strompfadabschnitt der MOSFET geschaltet ist. Das heißt also insbesondere, dass der MOSFET sowohl in dem einen als auch in dem anderen Strompfad geschaltet ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine effiziente Nutzung des einen MOSFET in zwei Strompfade ermöglicht, da dieser in beide Strompfade geschaltet ist. Insofern werden Material und Kosten eingespart. Vorzugsweise können in dem gemeinsamen Strompfadabschnitt auch mehrere MOSFET geschaltet sein. According to another embodiment of the invention, two current paths are formed, which have a common current path portion, wherein in the common current path portion of the MOSFET is connected. This means in particular that the MOSFET is connected both in one and in the other current path. As a result, an efficient use of one MOSFET in two current paths is advantageously made possible, since this is connected in both current paths. In this respect, material and costs are saved. Preferably, a plurality of MOSFETs may also be connected in the common current path section.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist zumindest einer der Strompfade eine Parallelschaltung von mehreren MOSFET auf. Auch diese MOSFET weisen eine integrierte Body-Diode auf, wobei ein Bulk-Anschluss des MOSFET mit einem Source-Anschluss des MOSFET verbunden ist, um die integrierte Body-Diode in den Strompfad zu schalten. Das Vorsehen einer solchen Parallelschaltung bewirkt aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten von R_DSon eine Leistungssteigerung, so dass der Umrichter höhere Ströme umrichten kann. According to a further embodiment of the invention, at least one of the current paths has a parallel connection of a plurality of MOSFETs. These MOSFETs also have an integrated body diode, wherein a bulk terminal of the MOSFET is connected to a source terminal of the MOSFET in order to switch the integrated body diode into the current path. The provision of such a parallel _{circuit causes} a performance increase due to the positive temperature coefficient of R _DSon , so that the inverter can convert higher currents.

Hierbei steht R_DSon für den Einschaltwiderstand oder auch den minimalen Durchgangswiderstand des MOSFET. Der Index DS steht für die Anschlussleitungen Drain und Source. Das on steht englisch für an und steht für den eingeschalteten Zustand des MOSFET im Schaltbetrieb. Ein positiver Temperaturkoeffizient des R_DSon bedeutet insbesondere, dass bei steigender Temperatur auch der Widerstand, d.h. der Kanalwiderstand, steigt. Aufgrund der Parallelschaltung wird die Stromtragfähigkeit erhöht und gleichzeitig ein Spannungsabfall verringert. Sobald einer der MOSFET durch zu viel Strom zu heiß wird, steigt sein Widerstand. Dadurch teilt sich die Strombelastung der MOSFET in vorteilhafter Weise gleichmäßig auf. Here, R _{DSon stands} for the on- _resistance or the minimum _{volume resistance} of the MOSFET. The index DS stands for the connection lines drain and source. The on is english for and stands for the switched state of the MOSFET in switching mode. A positive temperature coefficient of the R _DSon means, in particular, that as the temperature rises, so does the resistance, ie, the channel resistance. Due to the parallel connection, the current carrying capacity is increased while a voltage drop is reduced. As soon as one of the MOSFETs gets too hot due to too much current, its resistance increases. As a result, the current load of the MOSFET divides in an advantageous manner evenly.

Hier zeigt sich in besonderer Weise der Vorteil, in Umrichtern die bekannten Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) durch MOSFET mit integrierter Body-Diode zu ersetzen, wobei der Source-Anschluss des MOSFET mit dem Bulk-Anschluss des MOSFET verbunden ist, um die integrierte Body-Diode insbesondere als Freilaufdiode oder als Clamp-Diode in den Strompfad zu schalten. This is particularly advantageous in converters to replace the known insulated gate bipolar transistors (IGBT) by MOSFET with integrated body diode, wherein the source terminal of the MOSFET is connected to the bulk terminal of the MOSFET to switch the integrated body diode in particular as a freewheeling diode or as a clamp diode in the current path.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist jeder Strompfad einen MOSFET mit integrierter Body-Diode auf, wobei ein Source-Anschluss des MOSFET mit einem Bulk-Anschluss des MOSFET zum Nutzen der integrierten Body-Diode verbunden ist. Vorzugsweise weist jeder Strompfad mehrere solcher MOSFET auf. Insbesondere sind sämtliche Halbleiterschaltelemente und/oder Clamp-Dioden bzw. Gleichrichterelemente in dem Umrichter durch solche MOSFET ersetzt. Insbesondere können die Strompfade gleich oder unterschiedlich gebildet sein. According to one embodiment of the invention, each current path comprises a MOS diode with integrated body diode, wherein a source terminal of the MOSFET is connected to a bulk terminal of the MOSFET for the benefit of the integrated body diode. Each current path preferably has a plurality of such MOSFETs. In particular, all semiconductor switching elements and / or clamp diodes or rectifier elements in the converter are replaced by such MOSFETs. In particular, the current paths may be the same or different.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung können auch mehr oder weniger als drei Potentialanschlüsse gebildet sein. According to another embodiment of the invention, more or fewer than three potential connections may be formed.

Allgemein kann ein Umrichter mit drei Potentialanschlüssen als ein Dreistufenumrichter bzw. als ein Drei-Level-Umrichter bezeichnet werden. Ein Umrichter mit zwei Potentialanschlüssen kann allgemein auch als ein Zweistufen- bzw. Zwei-Level-Umrichter bezeichnet werden. Allgemein kann ein Umrichter mit mehreren Potentialanschlüssen als ein Mehrstufenumrichter bzw. als ein Mehr-Level-Umrichter bezeichnet werden. In general, an inverter with three potential connections can be referred to as a three-level converter or as a three-level converter. An inverter with two potential terminals can also be generally referred to as a two-stage or two-level inverter. In general, a multi-potential inverter can be referred to as a multi-level converter or as a multi-level converter.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen The invention will be explained below with reference to preferred embodiments with reference to figures. Show here

1 einen Umrichter zum Steuern eines elektrischen Stroms durch eine induktive Last, 1 a converter for controlling an electric current through an inductive load,

2 einen MOSFET mit integrierter Body-Diode sowie ein Gehäuse, in welchem der MOSFET angeordnet ist, 2 a MOSFET with integrated body diode and a housing in which the MOSFET is arranged,

3 ein Antriebssystem, 3 a drive system,

4 eine regenerative Energieerzeugungseinrichtung, 4 a regenerative power generating device,

5 ein weiteres Antriebssystem, 5 another drive system,

6 ein anderes Antriebssystem und 6 another drive system and

7 einen weiteren Umrichter zum Steuern eines elektrischen Stroms durch eine induktive Last. 7 another inverter for controlling an electric current through an inductive load.

Im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Hereinafter, like reference numerals are used for like features.

1 zeigt einen Umrichter 101 zum Steuern eines elektrischen Stroms durch eine induktive Last (nicht gezeigt). Bei der induktiven Last kann es sich vorzugsweise um eine Phase eines elektrischen Antriebs, insbesondere eines Elektromotors, handeln. Der Umrichter 101 weist drei Potentialanschlüsse 103, 105 und 107 zum Bereitstellen eines jeweiligen Potentials auf. Ferner ist ein Lastanschluss 109 gebildet, welcher derart konfiguriert ist, dass an diesen die induktive Last angeschlossen werden kann. Zwischen den Potentialanschlüssen 103, 105 und 107 einerseits und dem Lastanschluss 109 andererseits ist jeweils ein Strompfad 111, 113 und 115 gebildet. Ein solcher Strompfad kann allgemein auch als eine Laststrecke bezeichnet werden. 1 shows a converter 101 for controlling an electric current through an inductive load (not shown). The inductive load may preferably be a phase of an electric drive, in particular an electric motor. The inverter 101 has three potential connections 103 . 105 and 107 for providing a respective potential. There is also a load connection 109 is formed, which is configured so that the inductive load can be connected to this. Between the potential connections 103 . 105 and 107 on the one hand and the load connection 109 On the other hand, each is a current path 111 . 113 and 115 educated. Such a current path can also be generally referred to as a load path.

In dem Strompfad 111 ist ein Halbleiterschaltelement 117 geschaltet. Das Halbleiterschaltelement 117 ist als ein MOSFET 119 gebildet. Der MOSFET 119 weist einen Gate-Anschluss 121, einen Drain-Anschluss 123 und einen Source-Anschluss 125 auf. Der MOSFET 119 weist ferner einen Bulk-Anschluss (nicht gezeigt) auf, welcher intern mit dem Source-Anschluss 125 verbunden ist. Der Source-Anschluss 125 bzw. der Bulk-Anschluss ist mit dem Drain-Anschluss 123 verbunden, so dass eine integrierte Body-Diode 127 des MOSFET 119 in den Strompfad 111 geschaltet ist. Das heißt also insbesondere, dass der mit dem Source-Anschluss verbundene Bulk-Anschluss mit Drain den PN-Übergang einer Diode bildet, hier die integrierte Body-Diode 127. Die integrierte Body-Diode 127 wird also in vorteilhafter Weise als eine Freilaufdiode für das Halbleiterschaltelement 117 verwendet. In the current path 111 is a semiconductor switching element 117 connected. The semiconductor switching element 117 is as a MOSFET 119 educated. The MOSFET 119 has a gate connection 121 , a drain connection 123 and a source port 125 on. The MOSFET 119 also has a bulk port (not shown) internally connected to the source port 125 connected is. The source connection 125 or the bulk connector is to the drain connector 123 connected, so that an integrated body diode 127 of the MOSFET 119 in the current path 111 is switched. This means, in particular, that the bulk drain connected to the source terminal forms the PN junction of a diode, here the integrated body diode 127 , The integrated body diode 127 So is advantageously as a freewheeling diode for the semiconductor switching element 117 used.

In einer nicht gezeigten Ausführungsform können in dem Strompfad 111 weitere Halbleiterschaltelemente geschaltet sein, welche analog zu dem Halbleiterschaltelement 117 gebildet sind. Diese Halbleiterschaltelemente können vorzugsweise parallel oder in Reihe geschaltet sein. Insbesondere können einige der Halbleiterschaltelemente parallel zueinander geschaltet sein, wobei diese parallel zueinander geschalteten Halbleiterschaltelemente in Reihe oder wiederum parallel zu den weiteren Halbleiterschaltelementen geschaltet sind. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform können auch die Strompfade 113 und/oder 115 ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente analog zu dem Halbleiterschaltelement 117 aufweisen. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform können auch weniger als drei Potentialanschlüsse oder mehr als drei Potentialanschlüsse vorgesehen sein. Insbesondere können die Strompfade 111, 113 und 115 gleich oder unterschiedlich gebildet sein, wobei auch vorzugsweise vorgesehen sein kann, dass zwei Strompfade gleich und der dritte Strompfad unterschiedlich gebildet sind. In an embodiment, not shown, in the current path 111 be connected further semiconductor switching elements, which analog to the semiconductor switching element 117 are formed. These semiconductor switching elements may preferably be connected in parallel or in series. In particular, some of the semiconductor switching elements may be connected in parallel to one another, wherein these semiconductor switching elements connected in parallel to one another are connected in series or in turn parallel to the further semiconductor switching elements. In a further embodiment not shown, the current paths can also 113 and or 115 one or more semiconductor switching elements analogous to the semiconductor switching element 117 exhibit. In a further embodiment, not shown, less than three potential connections or more than three potential connections can be provided. In particular, the current paths 111 . 113 and 115 be formed the same or different, wherein it may also be preferably provided that two current paths are equal and the third current path formed differently.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung eines MOSFET mit integrierter Body-Diode, welche insbesondere als Freilaufdiode für den MOSFET verwendet wird, kann in vorteilhafter Weise ein zusätzliches elektronisches Bauteil, insbesondere eine externe Freilaufdiode oder eine Clamp-Diode, eingespart werden, was einen schaltungstechnischen Aufwand, Material und Kosten reduziert. Weiterhin werden auch elektrische Schaltungs- bzw. Durchlassverluste erheblich minimiert. Due to the inventive use of a MOSFET with integrated body diode, which is used in particular as a freewheeling diode for the MOSFET, an additional electronic component, in particular an external freewheeling diode or a clamp diode, can be advantageously saved, resulting in a circuit complexity, material and costs reduced. Furthermore, electrical circuit losses and passage losses are also considerably minimized.

2 zeigt in der linken Zeichnung den MOSFET 119 aus 1 und in der rechten Zeichnung ein Gehäuse 201, in welchem der MOSFET 119 angeordnet ist. Das Gehäuse 201 weist drei Pins 121a, 123a und 125a auf, wobei der Pin 121a mit dem Gate-Anschluss 121, der Pin 123a mit dem Drain-Anschluss 123 und der Pin 125a mit dem Source-Anschluss 125 des MOSFET 119 verbunden sind, wobei der Source-Anschluss 125 intern mit dem Bulk-Anschluss verbunden ist. 2 shows in the left drawing the MOSFET 119 out 1 and in the right drawing a housing 201 in which the MOSFET 119 is arranged. The housing 201 has three pins 121 . 123a and 125a on, with the pin 121 with the gate connection 121 , the pin 123a with the drain connection 123 and the pin 125a with the source connection 125 of the MOSFET 119 are connected, the source connection 125 internally connected to the bulk port.

Bei dem MOSFET 119 kann es sich beispielsweise um einen MOSFET mit der Bezeichnung STW55NM60ND der Firma STMicroelectronics (Im Internet zu finden unter www.st.com .) mit folgenden Spezifikationen handeln:
N-Channel 600 V – R_DSon = 0,047 Ω – 51 A TO-247 FDmesh^TM II Power MOSFET (with fast diode). In the MOSFET 119 For example, it may be a STW55NM60ND STMicroelectronics MOSFET (to be found on the Internet at www.st.com .) with the following specifications:
N-Channel _600V - R _DSon = _0.047Ω - _51A TO-247 FDmesh ^TM II Power MOSFET (with fast diode).

Bei dem MOSFET 119 kann es sich beispielsweise auch um einen MOSFET der Firma Infineon mit der Bezeichnung CFD2 handeln. In the MOSFET 119 For example, it may also be a MOSFET from Infineon called CFD2.

Bei den hier beispielhaft erwähnten STW55NM60ND und den Infineon CFD2 ist der Bulk-Anschluss mit Source verbunden und bildet mit Drain den PN-Übergang einer Diode. The STW55NM60ND and the Infineon CFD2 mentioned here by way of example are the bulk Connection connected to source and forms with drain the PN junction of a diode.

3 zeigt ein Antriebssystem 301 umfassend den Umrichter 101 aus 1. Der Übersicht halber ist lediglich der Lastanschluss 109 des Umrichters 101 gezeigt. Dieser Lastanschluss 109 ist mit einer Phase 303 eines elektrischen Antriebsmotors 305 verbunden. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann das Antriebssystem 301 einen mehrphasigen Antriebsmotor aufweisen. Insbesondere weist der Antriebsmotor 305 drei Phasen auf. Hierbei kann dann beispielsweise vorgesehen sein, dass drei Umrichter gebildet sind, wobei jeder Lastanschluss der Umrichter mit einer jeweiligen Phase des elektrischen Antriebsmotors verbunden ist. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die mehreren Umrichter parallel zueinander geschaltet sind, so dass sie gemeinsame Potentialanschlüsse aufweisen. Insbesondere kann pro Phase eines Antriebsmotors ein Umrichter zum Steuern eines elektrischen Stroms durch die Phase vorgesehen sein. 3 shows a drive system 301 comprising the inverter 101 out 1 , For clarity, only the load connection 109 of the inverter 101 shown. This load connection 109 is with a phase 303 an electric drive motor 305 connected. In an embodiment not shown, the drive system 301 have a multi-phase drive motor. In particular, the drive motor 305 three phases up. In this case, it may then be provided, for example, that three inverters are formed, wherein each load connection of the converter is connected to a respective phase of the electric drive motor. In one embodiment, not shown, it may be provided, for example, that the plurality of inverters are connected in parallel to one another, so that they have common potential connections. In particular, a converter for controlling an electric current through the phase can be provided per phase of a drive motor.

4 zeigt eine regenerative Energieerzeugungseinrichtung 401 umfassend einen Umrichter 403 zum Steuern eines elektrischen Stroms über eine stromglättende Induktivität (nicht gezeigt) ins Netz. Bei dem Umrichter 403 kann es sich beispielsweise um den Umrichter 101 aus 1 handeln. Der Umrichter 403 wird vorzugsweise dafür verwendet, eine mittels der regenerativen Energieerzeugungseinrichtung 401 erzeugte elektrische Spannung vor einer Netzeinspeisung umzurichten. Bei der regenerativen Energieerzeugungseinrichtung 401 kann es sich insbesondere um ein Photovoltaiksystem handeln. 4 shows a regenerative power generation device 401 comprising an inverter 403 for controlling an electrical current via a current-smoothing inductance (not shown) into the network. At the inverter 403 For example, it may be the inverter 101 out 1 act. The inverter 403 is preferably used, one by means of the regenerative power generation device 401 converted electrical voltage before a mains supply. In the regenerative power generation facility 401 it may in particular be a photovoltaic system.

5 zeigt ein Antriebssystem 501 umfassend einen elektrischen Antriebsmotor 503, welcher drei Phasen 505, 507 und 509 aufweist. Die Phase 505 ist mit einem Lastanschluss 511, die Phase 507 ist mit einem Lastanschluss 513 und die Phase 509 ist mit einem Lastanschluss 515 eines jeweiligen Umrichters 517, 519 und 521 verbunden. Die drei Umrichter 517, 519 und 521 weisen eine gleiche Schaltungstopologie auf, sind also gleich gebildet. Insofern wird im Folgenden der Umrichter 517 beschrieben. Die entsprechenden Ausführungen bezüglich der Umrichter 519 und 521 ergeben sich analog. Auch sind der besseren Übersicht halber nur Bezugszeichen für den Umrichter 517 eingezeichnet. Die entsprechenden Bezugszeichen für die Umrichter 519 und 521 ergeben sich analog zu dem Umrichter 517. 5 shows a drive system 501 comprising an electric drive motor 503 , which three phases 505 . 507 and 509 having. The phase 505 is with a load connection 511 , the phase 507 is with a load connection 513 and the phase 509 is with a load connection 515 a respective inverter 517 . 519 and 521 connected. The three inverters 517 . 519 and 521 have a same circuit topology, so are formed equal. In this respect, in the following, the inverter 517 described. The corresponding versions regarding the inverter 519 and 521 arise analogously. Also, for better clarity, only reference numbers for the inverter 517 located. The corresponding reference numbers for the inverter 519 and 521 arise analogously to the inverter 517 ,

Der Umrichter 517 weist drei Potentialanschlüsse 523, 525 und 527 auf. Hierbei ist der Potentialanschluss 523 mit einem Pluspol 529 einer Gleichspannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden. Der Potentialanschluss 527 ist mit einem Minuspol 531 der Gleichspannungsquelle verbunden. Zwischen beiden Polen 529 und 531 der Gleichspannungsquelle sind zwei Kondensatoren 533 und 535 in Reihe geschaltet. Zwischen den beiden Kondensatoren 533 und 535 ist eine Nullpunktklemmung 537 gebildet, so dass zwischen dem Pluspol 529 und der Nullpunktklemmung 537 die Spannung U_dh und über den Minuspol 531 und die Nullpunktklemmung 537 die Spannung U_dl abfallen. h steht für high, hoch. l steht für low, niedrig. An der Nullpunktklemmung 537 wird insofern ein Potential bereitgestellt, welches zwischen dem Potential an dem Pluspol 529 und dem Potential an dem Minuspol 531 liegt. Die Nullpunktklemmung 537 ist mit dem Potentialanschluss 525 verbunden. The inverter 517 has three potential connections 523 . 525 and 527 on. Here is the potential connection 523 with a plus pole 529 a DC voltage source (not shown). The potential connection 527 is with a negative pole 531 connected to the DC voltage source. Between both poles 529 and 531 the DC voltage source are two capacitors 533 and 535 connected in series. Between the two capacitors 533 and 535 is a zero point clamp 537 formed so that between the positive pole 529 and the zero point clamp 537 the voltage U _dh and the negative pole 531 and the zero point clamp 537 the voltage U _dl fall off. h stands for high, high. l stands for low, low. At the zero point clamping 537 In this respect, a potential is provided which lies between the potential at the positive pole 529 and the potential at the negative pole 531 lies. The zero point clamp 537 is with the potential connection 525 connected.

Zwischen dem Potentialanschluss 523 und dem Lastanschluss 511 sind zwei Halbleiterschaltelemente 539 und 541 in Reihe geschaltet. Die beiden Halbleiterschaltelemente 539 und 541 sind als IGBT gebildet. Jeweils parallel zu den beiden IGBT 539 und 541 ist eine Freilaufdiode 543 geschaltet. Ein erster Strompfad ist somit zwischen dem Potentialanschluss 523 und dem Lastanschluss 511 über den beiden IGBT 539 und 541 gebildet. Between the potential connection 523 and the load connection 511 are two semiconductor switching elements 539 and 541 connected in series. The two semiconductor switching elements 539 and 541 are formed as IGBT. In each case parallel to the two IGBTs 539 and 541 is a freewheeling diode 543 connected. A first current path is thus between the potential connection 523 and the load connection 511 over the two IGBT 539 and 541 educated.

Analog sind zwischen dem Potentialanschluss 527 und dem Lastanschluss 511 zwei Halbleiterschaltelemente 545 und 547 in Reihe geschaltet, wobei auch die beiden Halbleiterschaltelemente 545 und 547 als IGBT gebildet sind. Jeweils parallel zu den beiden IGBT 545 und 547 ist ebenfalls eine Freilaufdiode 543 geschaltet. Insofern ist ein zweiter Strompfad zwischen dem Potentialanschluss 527 und dem Lastanschluss 511 über den beiden IGBT 545 und 547 gebildet. Analog are between the potential connection 527 and the load connection 511 two semiconductor switching elements 545 and 547 connected in series, wherein the two semiconductor switching elements 545 and 547 are formed as IGBT. In each case parallel to the two IGBTs 545 and 547 is also a freewheeling diode 543 connected. In this respect, a second current path is between the potential connection 527 and the load connection 511 over the two IGBT 545 and 547 educated.

Ferner sind zwei Gleichrichterelemente 549 und 551 vorgesehen, welche als MOSFET mit integrierter Body-Diode gebildet sind. Die MOSFET 549 und 551 sind analog zu dem MOSFET 119 in 1 gebildet. Auf die diesbezüglichen Ausführungen kann verwiesen werden. Furthermore, there are two rectifier elements 549 and 551 provided, which are formed as a MOSFET with integrated body diode. The MOSFET 549 and 551 are analogous to the MOSFET 119 in 1 educated. On the relevant statements can be referenced.

Der MOSFET 549 ist zwischen dem Potentialanschluss 525 und einer Abzweigung 553 geschaltet, wobei die Abzweigung 553 zwischen den beiden IGBT 539 und 541 angeordnet ist. Hierbei ist der Source-Anschluss des MOSFET 549 mit dem Potentialanschluss 525 verbunden, der Drain-Anschluss des MOSFET 549 ist mit der Abzweigung 553 verbunden. Insofern ist ein dritter Strompfad zwischen dem Potentialanschluss 525 und dem Lastanschluss 511 über dem MOSFET 549 und dem IGBT 541 gebildet. Der dritte und der erste Strompfad weisen einen gemeinsamen Strompfadabschnitt umfassend den IGBT 541 auf. The MOSFET 549 is between the potential connection 525 and a turnoff 553 switched, with the branch 553 between the two IGBTs 539 and 541 is arranged. Here, the source terminal of the MOSFET 549 with the potential connection 525 connected to the drain terminal of the mosfet 549 is with the turnoff 553 connected. In this respect, a third current path is between the potential connection 525 and the load connection 511 above the MOSFET 549 and the IGBT 541 educated. The third and the first current paths have a common current path section comprising the IGBT 541 on.

Analog ist der MOSFET 551 zwischen dem Potentialanschluss 525 und einer Abzweigung 555 geschaltet, wobei die Abzweigung 555 zwischen den beiden IGBT 545 und 547 angeordnet ist. Ein Source-Anschluss des MOSFET 551 ist mit der Abzweigung 555 verbunden, ein Drain-Anschluss des MOSFET 551 ist mit dem Potentialanschluss 525 verbunden. Insofern ist ein vierter Strompfad zwischen dem Potentialanschluss 525 und dem Lastanschluss 511 über dem IGBT 545 und dem MOSFET 551 gebildet. Der vierte und der zweite Strompfad weisen einen gemeinsamen Strompfadabschnitt umfassend den IGBT 545 auf. Analog is the MOSFET 551 between the potential connection 525 and a turnoff 555 switched, with the branch 555 between the two IGBTs 545 and 547 is arranged. A source terminal of the MOSFET 551 is with the turnoff 555 connected to a drain terminal of the MOSFET 551 is with the potential connection 525 connected. In this respect, a fourth current path is between the potential connection 525 and the load connection 511 over the IGBT 545 and the MOSFET 551 educated. The fourth and the second current paths have a common current path section comprising the IGBT 545 on.

Die drei Umrichter 517, 519 und 521 sind parallel zueinander geschaltet, so dass die jeweiligen Potentialanschlüsse 523, 525 und 527 der Umrichter 517, 519 und 521 mit dem Pluspol 529, dem Minuspol 531 und der Nullpunktklemmung 537 verbunden sind. The three inverters 517 . 519 and 521 are connected in parallel, so that the respective potential connections 523 . 525 and 527 the inverter 517 . 519 and 521 with the positive pole 529 , the negative pole 531 and the zero point clamp 537 are connected.

Die in 5 gezeigte Ausführungsform eines Antriebssystems umfasst also den Gedanken, dass die üblichen Clamp-Dioden bzw. Gleichrichterelemente der Umrichter durch MOSFET mit einer schnellen integrierten Body-Diode ersetzt wurden, wobei der Bulk-Anschluss des MOSFET mit dem Source-Anschluss des MOSFET verbunden ist, so dass die integrierte Body-Diode die Aufgabe der Clamp-Diode übernimmt. Dadurch können in vorteilhafter Weise elektrische Verluste, insbesondere Durchlass- und Schaltverluste, eingespart werden. In the 5 Thus, the embodiment of a drive system shown includes the idea that the usual clamp diodes or rectifier elements of the converters have been replaced by MOSFET with a fast integrated body diode, wherein the bulk terminal of the MOSFET is connected to the source terminal of the MOSFET that the integrated body diode takes over the task of the clamp diode. As a result, electrical losses, in particular forward and switching losses, can advantageously be saved.

Für die folgenden Ausführungen werden die folgenden Abkürzungen definiert. The following abbreviations are defined for the following executions.

Die drei Phasen 505, 507 und 509 werden respektive mittels der Buchstaben u, v und w gekennzeichnet. Der Umrichter 517 steuert insofern einen elektrischen Strom durch die Phase u. Der Umrichter 519 steuert insofern einen elektrischen Strom durch die Phase v. Der Umrichter 521 steuert insofern einen elektrischen Strom durch die Phase w. Die einzelnen Halbleiterschaltelemente der Umrichter 517, 519 und 521, d.h. also insbesondere die IGBT 539, 541, 545 und 547 sowie die MOSFET 549 und 551, werden mit T_xi abgekürzt. Hierbei steht x für eine der Phasen u, v, w. i ist ein Index und läuft von 1 bis 6 entsprechend der Anzahl der Halbleiterschaltelemente in dem entsprechenden Umrichter 517, 519 und 521. Die Indices 1 und 2 bezeichnen die beiden Halbleiterschaltelemente 539 und 541 zwischen dem Potentialanschluss 523 und dem Lastanschluss 511. Die Indices 3 und 4 bezeichnen die beiden IGBT 545 und 547 zwischen dem Potentialanschluss 527 und dem Lastanschluss 511. Die Indices 5 und 6 bezeichnen die beiden MOSFET 549 und 551 zwischen dem Potentialanschluss 525 und dem Lastanschluss 511. The three phases 505 . 507 and 509 are respectively marked by the letters u, v and w. The inverter 517 thus controls an electric current through the phase u. The inverter 519 thus controls an electric current through the phase v. The inverter 521 thus controls an electric current through the phase w. The individual semiconductor switching elements of the inverter 517 . 519 and 521 , ie in particular the IGBT 539 . 541 . 545 and 547 as well as the mosfet 549 and 551 , are abbreviated T _xi . Here x stands for one of the phases u, v, w. i is an index and runs from 1 to 6 according to the number of semiconductor switching elements in the corresponding inverter 517 . 519 and 521 , The indices 1 and 2 denote the two semiconductor switching elements 539 and 541 between the potential connection 523 and the load connection 511 , Indices 3 and 4 denote the two IGBTs 545 and 547 between the potential connection 527 and the load connection 511 , Indices 5 and 6 denote the two MOSFETs 549 and 551 between the potential connection 525 and the load connection 511 ,

Wenn beispielsweise die Nullpunktklemmenspannung an eine der Phasen u, v und w angelegt werden soll, so werden die MOSFET T_x5 und T_x6 gleichzeitig eingeschaltet: T_x5 schaltet gleichzeitig mit T_x3 und T_x6 gleichzeitig mit T_x2. Wenn in dieser Konfiguration eine Phase u, v, w die Nullpunktklemmungsspannung wählt, sind T_x2, T_x3, T_x5 und T_x6 gleichzeitig eingeschaltet. If, for example, the neutral point voltage is to be applied to one of the phases u, v and w, the MOSFETs T _x5 and T _x6 are switched on simultaneously: T _x5 switches simultaneously with T _x3 and T _x6 simultaneously with T _x2 . In this configuration, when a phase u, v, w selects the _{neutral clamping voltage} , T _x2 , T _x3 , T _x5 and T _{x6 are} simultaneously turned on.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Umrichter 517, 519 und 521 auch als solche einzeln für sich und nicht nur im Zusammenhang mit dem Antriebssystem 501 definiert und offenbart sein sollen. At this point it should be noted that the inverter 517 . 519 and 521 even as such individually by itself and not only in connection with the drive system 501 should be defined and disclosed.

6 zeigt ein weiteres Antriebssystem 601, welches analog zu dem Antriebssystem 501 aufgebaut ist. Der Übersicht halber sind insofern nicht sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet. Im Unterschied zu dem Antriebssystem 501 sind in dem Antriebssystem 601 sämtliche Halbleiterschaltelemente T_xi durch MOSFET ersetzt, welche analog zu dem MOSFET 119 in 1 gebildet sind. Die im Zusammenhang mit dem Antriebssystem 501 erläuterten Vorteile und durchgeführten Berechnungen bezüglich der Verlustleistung gelten analog auch für das Antriebssystem 601. Ebenso können die Umrichter auch also solche losgelöst von dem Antriebssystem verwendet werden. 6 shows another drive system 601 , which is analogous to the drive system 501 is constructed. For the sake of clarity, not all reference signs are shown. Unlike the drive system 501 are in the drive system 601 all semiconductor switching _elements T _xi replaced by MOSFET, which analogous to the MOSFET 119 in 1 are formed. The in connection with the drive system 501 explained advantages and calculations carried out regarding the power loss apply analogously for the drive system 601 , Likewise, the inverters can also be used so detached from the drive system.

Weiterhin sinken in dieser Ausführungsform gemäß 6 die elektrischen Verluste auf einen Bruchteil verglichen mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 5, was den Wirkungsgrad noch einmal erheblich steigert. Die 18 MOSFET können insbesondere mit halber Spannungsfestigkeit verwendet werden. Weiterhin wird in vorteilhafter Weise nur eine zusätzliche Gate-Treiberversorgung benötigt, die gemeinsam für die drei Transistoren T_x5 benötigt wird. Die Gate-Treiber für T_x6 können pro Phase u, v, w gemeinsam mit der Gate-Spannung für T_x3 versorgt werden. Furthermore, decrease in this embodiment according to 6 the electrical losses to a fraction compared with the embodiment according to 5 , which significantly increases the efficiency again. The 18 MOSFETs can be used in particular with half the withstand voltage. Furthermore, advantageously only one additional gate driver supply is needed, which is needed in common for the three transistors T _x5 . The gate drivers for T _x6 can be supplied together with the gate voltage for T _x3 per phase u, v, w.

Da bei MOSFET auch die elektrischen Schaltverluste deutlich geringer sind, verringern sich die Verluste auf weniger als die Hälfte. Würde man beispielsweise statt der zwölf (650 V Spannungsfestigkeit) MOSFET beispielsweise sechs (1200 V Spannungsfestigkeit) MOSFET einsetzen, wäre deren R_DSon technologiebedingt weit mehr als doppelt so groß, was den Wirkungsgrad verschlechtern würde. Daher ist es besonders vorteilhaft sämtliche Halbleiterschaltelemente eines Umrichters durch MOSFET analog zu dem MOSFET 119 in 1 zu ersetzen. Since the electrical switching losses are significantly lower with MOSFET, the losses are reduced to less than half. If, for example, instead of the twelve (650 V _withstand voltage) MOSFETs, six (1200 V _withstand voltage) MOSFETs were used, their R _DSon would be more than twice as large due to the technology, which would impair the efficiency. Therefore, it is particularly advantageous all semiconductor switching elements of a converter by MOSFET analogous to the MOSFET 119 in 1 to replace.

Durch die Reihen- und Parallelschaltung der jeweiligen Durchgangswiderstände ergibt sich also ein Gesamtwiderstand von nur R_DSon, was die Verluste in vorteilhafter Weise weiter erheblich stark reduziert,, wobei die in 6 gezeigte Topologie zugrunde gelegt wird. By the series and parallel connection of the respective _volume resistances thus results in a total resistance of only R _DSon , which further significantly reduces the losses in an advantageous manner, the in 6 shown topology is used.

Eine Reduktion der Verlustleistung soll anhand eines MOSFET mit einem R_DSon von 50 mΩ exemplarisch im Folgenden berechnet werden. A reduction of the power loss is to be calculated by means of a MOSFET with an R _DSon of 50 mΩ as an example in the following.

Die integrierte Body-Diode des MOSFET hat einen Spannungsabfall, der üblicherweise bei etwa 1 V liegt. Wird nun zusätzlich der Transistor eingeschaltet, übernimmt er den Strom, sofern das Produkt Durchgangswiderstand mal Strom (R_DSon·I) kleiner ist als der Spannungsabfall an der Body-Diode. Hat also der MOSFET ein R_DSon von etwa 50 mΩ und fließt beispielsweise ein Strom von 5 A, so fallen am Transistor 0,25 V ab. Da 0,25 V weniger sind als die etwa 1 V der Body-Diode, fließt der Strom durch den Transistor. The integrated body diode of the MOSFET has a voltage drop, which is usually about 1V. If, in addition, the transistor is switched on, it takes over the current if the product _{volume resistance} times current (R _DSon * I) is smaller than the voltage drop at the body diode. Thus, if the MOSFET has an R _DSon of about 50 mΩ and, for example, a current of 5 A flows, then 0.25 V drops at the transistor. Since 0.25 V is less than the approximately 1 V of the body diode, the current flows through the transistor.

Statt einer Verlustleistung von (P = U·I) 1 V·5 A = 5 W fällt nur noch eine Verlustleistung von 0,25 V·5 A = 1,25 W an. Instead of a power loss of (P = U · I) 1V · 5A = 5W only a power loss of 0.25 V × 5 A = 1.25 W at.

In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass nur eines der Halbleiterschaltelemente T_xi als ein MOSFET analog zu dem MOSFET 119 in 1 gebildet ist. Die weiteren nicht als MOSFET gebildeten Halbleiterschaltelemente können dann beispielsweise als IGBT oder durch Dioden, insbesondere Schottky-Dioden, ersetzt werden. Hierbei sind in weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen jede mögliche Kombination und Permutation von mehreren MOSFET möglich. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform können die drei Umrichter 517, 519 und 521 auch unterschiedlich gebildet sein, wobei sie vorzugsweise schaltungstopologisch gesehen gleich aufgebaut sind. In an embodiment, not shown, it may be provided that only one of the semiconductor switching _elements T _xi as a MOSFET analogous to the MOSFET 119 in 1 is formed. The other semiconductor switching elements not formed as a MOSFET can then be replaced, for example, as IGBTs or by diodes, in particular Schottky diodes. In this case, in further exemplary embodiments, not shown, every possible combination and permutation of a plurality of MOSFETs is possible. In a further embodiment, not shown, the three inverters 517 . 519 and 521 may also be formed differently, they are preferably constructed the same circuit topology.

In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform können auch mehr als drei oder weniger als drei Potentialanschlüsse vorgesehen sein. Insbesondere kann der elektrische Antriebsmotor 503 auch mehr als drei oder weniger als drei Phasen aufweisen. In a further embodiment not shown, more than three or less than three potential connections can be provided. In particular, the electric drive motor 503 also have more than three or less than three phases.

7 zeigt einen Umrichter 701, wobei zwischen dem Potentialanschluss 523 und dem Lastanschluss 511 ein Halbleiterschaltelement als ein IGBT 703 geschaltet ist. Zwischen dem Potentialanschluss 527 und dem Lastanschluss 511 ist ein weiteres Halbleiterschaltelement als ein IGBT 705 geschaltet. Parallel zu den beiden IGBT 703 und 705 ist jeweils eine Freilaufdiode 543 geschaltet. 7 shows a converter 701 , where between the potential connection 523 and the load connection 511 a semiconductor switching element as an IGBT 703 is switched. Between the potential connection 527 and the load connection 511 is another semiconductor switching element as an IGBT 705 connected. Parallel to the two IGBT 703 and 705 is each a freewheeling diode 543 connected.

Ein erster Strompfad ist insofern zwischen dem Potentialanschluss 523 und dem Lastanschluss 511 über dem IGBT 703 gebildet. Ein zweiter Strompfad ist insofern zwischen dem Potentialanschluss 527 und dem Lastanschluss 511 über dem IGBT 705 gebildet. A first current path is in this respect between the potential connection 523 and the load connection 511 over the IGBT 703 educated. A second current path is in this case between the potential connection 527 and the load connection 511 over the IGBT 705 educated.

Zwischen dem Potentialanschluss 525 und dem Lastanschluss 511 sind vier MOSFET 707, 709, 711 und 713 geschaltet, welche analog zu dem MOSFET 119 in 1 gebildet sind. Between the potential connection 525 and the load connection 511 are four MOSFETs 707 . 709 . 711 and 713 connected, which analogous to the MOSFET 119 in 1 are formed.

Hierbei sind die beiden MOSFET 707 und 709 in Reihe geschaltet, wobei der Drain-Anschluss des MOSFET 707 mit dem Drain-Anschluss des MOSFET 709 verbunden ist. Weiterhin sind die beiden MOSFET 711 und 713 in Reihe geschaltet, wobei der Source-Anschluss des MOSFET 711 mit dem Source-Anschluss des MOSFET 713 verbunden ist. Die vier MOSFET 707, 709, 711 und 713 sind paarweise parallel geschaltet. Das heißt, dass die beiden MOSFET 707 und 709 einerseits und die beiden MOSFET 711 und 713 andererseits parallel zwischen der Nullpunktklemmung 537 und dem Lastanschluss 511 geschaltet sind. Ein dritter Strompfad ist insofern zwischen dem Potentialanschluss 525 und dem Lastanschluss 511 über den beiden MOSFET 707 und 709 gebildet. Ein vierter Strompfad ist insofern zwischen dem Potentialanschluss 525 und dem Lastanschluss 511 über den beiden MOSFET 711 und 713 gebildet. Here are the two MOSFETs 707 and 709 connected in series, with the drain terminal of the MOSFET 707 to the drain terminal of the MOSFET 709 connected is. Furthermore, the two MOSFETs 711 and 713 connected in series, the source terminal of the MOSFET 711 to the source terminal of the MOSFET 713 connected is. The four MOSFET 707 . 709 . 711 and 713 are connected in pairs in parallel. That means that the two mosfets 707 and 709 on the one hand, and the two MOSFETs 711 and 713 on the other hand, in parallel between the zero point clamping 537 and the load connection 511 are switched. A third current path is in this case between the potential connection 525 and the load connection 511 over the two mosfets 707 and 709 educated. A fourth current path is in this case between the potential connection 525 and the load connection 511 over the two mosfets 711 and 713 educated.

Die in 7 gezeigte Ausführungsform mit einer Parallelschaltung von mehreren MOSFET weist insbesondere den Vorteil auf, dass hier der positive Temperaturkoeffizient von R_DSon der MOSFET in vorteilhafter Weise zur Leistungssteigerung benutzt werden kann. Der Umrichter 701 kann insofern höhere Ströme umrichten. In the 7 In particular, the embodiment shown with a parallel connection of several MOSFETs has the advantage that in this case the positive temperature coefficient of R _{DSon of} the MOSFET can be advantageously used to increase the output. The inverter 701 can thus convert higher currents.

Analog zu 5 und 6 werden die einzelnen Halbleiterschaltelemente, d.h. die MOSFET 707, 709, 711 und 713 sowie die beiden IGBT 703 und 705, mit T_xi abgekürzt. x steht für die Phase u, v, w. Der Index i läuft von 1 bis 6, wobei 1 und 4 für die beiden IGBT 703 und 705 stehen. Die Indices 2, 3, 5 und 6 stehen respektive für die MOSFET 709, 713, 707 und 711. Analogous to 5 and 6 become the individual semiconductor switching elements, ie the MOSFET 707 . 709 . 711 and 713 as well as the two IGBTs 703 and 705 , abbreviated to T _xi . x stands for the phase u, v, w. The index i runs from 1 to 6, with 1 and 4 for the two IGBTs 703 and 705 stand. The indices 2, 3, 5 and 6 respectively stand for the MOSFET 709 . 713 . 707 and 711 ,

Insofern umfasst die Ausführungsform gemäß 7 den Gedanken, sowohl die Clamp-Dioden durch die MOSFET T_u5 und T_u6 zu ersetzen. Ebenfalls werden die Transistoren T_u2 und T_u3 gemäß 5, also die IGBT 541 und 547, durch MOSFET ersetzt und mit den beiden MOSFET T_u5 und T_u6 paarweise parallel zueinander geschaltet. Diese MOSFET T_u2, T_u3, T_u5 und T_u6 können vorzugsweise mit halber Spannungsfestigkeit ausgelegt sein, wobei sich die halbe Spannungsfestigkeit auf die gesamte angelegte Spannung zwischen dem Minuspol 531 und dem Pluspol 529 bezieht. Beispielsweise können die MOSFET mit einer 650-V-Spannungsfestigkeit ausgelegt werden. Die Transistoren T_u1 und T_u4 sind vorzugsweise geeignet, um die volle Spannung, beispielsweise 1200 V, zu schalten. In this respect, the embodiment according to 7 the idea of replacing both the clamp diodes with MOSFETs T _u5 and T _u6 . Also, the transistors T _u2 and T _{u3 become} 5 So the IGBT 541 and 547 , replaced by MOSFET and connected in parallel with each other with the two MOSFET T _u5 and T _u6 . These MOSFETs T _u2 , T _u3 , T _u5 and T _u6 may preferably be designed with half the dielectric strength, with half the dielectric strength being applied to the total applied voltage between the negative pole 531 and the positive pole 529 refers. For example, the MOSFETs can be equipped with a 650 V Dielectric strength are designed. The transistors T _u1 and T _u4 are preferably suitable for switching the full voltage, for example 1200 V.

In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform können auch die Transistoren T_u1 und T_u4 in 7 durch MOSFET analog zu dem MOSFET 119 in 1 ersetzt werden. Insbesondere können die Transistoren T_u1 und T_u4 durch jeweils zwei solcher MOSFET ersetzt werden, welche insbesondere in Reihe geschaltet sind, so dass sich die Gesamtspannung auf beide MOSFET aufteilt, so dass der jeweilige MOSFET nur für die halbe Spannung ausgelegt sein muss. In a further embodiment not shown, the transistors T _u1 and T _u4 in 7 by MOSFET analogous to the MOSFET 119 in 1 be replaced. In particular, the transistors T _u1 and T _{u4 can be} replaced by two such MOSFETs, which are connected in particular in series, so that the total voltage is divided between both MOSFETs, so that the respective MOSFET must be designed for only half the voltage.

Es kann in einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass die Ausführungsform gemäß 7 noch weitere Umrichter aufweist, welche vorzugsweise analog zu dem Umrichter 701 aufgebaut sind, wobei diese Umrichter untereinander parallel analog zu 5 und 6 geschaltet sind und einen elektrischen Strom durch eine Phase eines elektrischen Antriebsmotors analog zu 5 und 6 steuern. It may be provided in a further embodiment, not shown, that the embodiment according to 7 still further comprises converters, which preferably analogous to the inverter 701 are constructed, these converters parallel to each other analogous to 5 and 6 are switched and an electric current through a phase of an electric drive motor analogous to 5 and 6 Taxes.

Zusammenfassend umfasst also die Erfindung insbesondere den Gedanken, ein Halbleiterschaltelement eines Umrichters, beispielsweise eine Clamp-Diode oder einen IGBT-Schalter, durch einen MOSFET mit integrierter Body-Diode zu ersetzen, wobei der Bulk-Anschluss des MOSFET mit dem Source-Anschluss des MOSFET verbunden ist, um die integrierte Body-Diode, welche vorzugsweise als eine schnelle Body-Diode gebildet ist, als Freilaufdiode bzw. als Gleichrichterelement zu nutzen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung von solchen MOSFET können beispielsweise in vorteilhafter Weise Schaltverluste und/oder Durchlassverluste verringert werden. Mittels einer entsprechenden Parallelschaltung von mehreren solcher MOSFET kann weiterhin in vorteilhafter Weise der positive Temperaturkoeffizient von R_DSon zur Steigerung der Leistung ausgenutzt werden. In summary, the invention therefore in particular includes the idea of replacing a semiconductor switching element of an inverter, for example a clamp diode or an IGBT switch, with a MOSFET having an integrated body diode, wherein the bulk terminal of the MOSFET is connected to the source terminal of the MOSFET is connected to use the integrated body diode, which is preferably formed as a fast body diode, as a freewheeling diode or as a rectifier element. Due to the inventive use of such MOSFET, switching losses and / or forward losses can be reduced, for example, in an advantageous manner. By means of a corresponding parallel connection of a plurality of such MOSFETs, the positive temperature coefficient of R _DSon can be utilized to increase the power in an advantageous manner.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008056400 A1 [0008]
DE 102009002332 A1 [0009]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

www.st.com [0048]

Claims

Inverter ( 101 ) for controlling an electric current through an inductive load, in particular a phase ( 303 ) of an electric motor, with several potential connections ( 103 . 105 . 107 ) for providing a respective potential at a load terminal ( 109 ) for connecting the inductive load, wherein in at least one of the between the potential terminals ( 103 . 105 . 107 ) and the load connection ( 109 ) formed current paths ( 111 . 113 . 115 ) at least one semiconductor switching element ( 117 ) connected as a MOSFET ( 119 ), characterized in that a bulk terminal of the MOSFET ( 119 ) with a source connection ( 123 ) of the MOSFET ( 119 ) for switching an integrated body diode ( 127 ) of the MOSFET ( 119 ) is connected as a diode, in particular as a freewheeling diode, in the current path.

Inverter ( 101 ) according to claim 1, wherein the MOSFET ( 119 ) for switching the inductive load in the current path ( 111 . 113 . 115 ) is arranged.

Inverter ( 101 ) according to claim 1 or 2, wherein the MOSFET ( 119 ) for rectifying an AC voltage in the current path ( 111 . 113 . 115 ) is arranged.

Inverter ( 101 ) according to one of the preceding claims, wherein a plurality of MOSFETs ( 119 ) are formed, which are connected in series.

Inverter ( 101 ) according to one of the preceding claims, wherein two current paths ( 111 . 113 . 115 ) comprises a common current path section comprising the MOSFET ( 119 ) exhibit.

Inverter ( 101 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the current paths ( 111 . 113 . 115 ) a parallel connection of several MOSFETs ( 119 ) having.

Drive system ( 301 ), with an electric drive motor ( 305 ) comprising at least one phase ( 303 ), whereby the phase ( 303 ) with the load connection ( 109 ) of the inverter ( 101 ) is connected according to one of claims 1 to 6.

Using an inverter ( 101 ) according to one of claims 1 to 6 in a regenerative power generating device ( 401 ), especially in a photovoltaic system.