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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungsvorrichtungen, Schalt-Schaltungen bzw. -Schaltkreise und Steuer- bzw. Regelschaltkreise insbesondere für Hochleistungs-Hochspannungs-Anwendungen. Die Leistungsvorrichtungen können bei wenigstens bis zu 600 Volt der Sperrspannung arbeiten und einen Nennwert von wenigstens annähernd 10 Ampère (10 A) unter Ein-Zustandsbedingungen aufweisen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Minimierung von Ein-Zustands- und Schaltverlusten bei Hochspannungs-Hochleistungs-Schaltern (und Dioden).
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Hintergrund der Erfindung
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Siliziumbasierte Bipolarleistungsschaltvorrichtungen, so beispielsweise Isoliergate-Bipolartransistoren (Insulated-Gate Bipolar Transistors IGBT), Bipolartransistoren (Bipolar Junction Transistor BJT) oder Thyristoren wie Gate-Ausschalt-Thyristoren (Gate Turn-off Thyristors GTO) oder MOS-gesteuerte bzw. -geregelte (Metal-Oxide-Semiconductor MOS, Metalloxidhalbleiter) Thyristoren (Metal-Oxide-Semiconductor Controlled Thyristors MCT), weisen hohe Sperrspannungen und einen niedrigen Gleichstromleistungsverlust (Direct Current DC, Gleichstrom) infolge einer Leitfähigkeitsmodulation auf. Siliziumbipolarvorrichtungen (Silizium Si) sind allgemein die bevorzugte Technologie für Hochspannungs-Hochleistungs-Umwandlungsschaltungen, die Leistungsschalter mit Sperrspannungen von annähernd 600 V oder höher benötigen.
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Die Schaltverluste von Si-Bipolarleistungsvorrichtungen sind jedoch vergleichsweise hoch. Der Ausschaltverlust von Si-Bipolarvorrichtungen ist hoch, da eine Extraktion von gespeicherten Minoritätsträgerladungen unter Hochspannungsbedingungen auftritt. Der Einschaltverlust kann auch infolge derjenigen Zeit merklich sein, die dafür benötigt wird, dass die gesamte Vorrichtungsdicke mit Minoritätsträgern beim Einschalten durchsetzt wird. Des Weiteren ist ein hochdichtes Trägerplasma in derartigen Vorrichtungen unter Bedingungen eines hohen elektrischen Feldes infolge einer Lawinen- bzw. Avalanche-Vervielfältigung oftmals instabil.
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Allgemein wäre von Vorteil, übermäßige Schaltverluste in Siliziumbipolarvorrichtungen zu verhindern, wie auch diese vor einer Instabilität infolge eines gleichzeitigen Hochstrom-Hochspannungs-Betriebes zu schützen.
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Es besteht daher Bedarf an der Bereitstellung von neuen Ausgestaltungen von Festkörpervorrichtungen und -schaltungen sowie von Steuer- bzw. Regelschaltkreisen hieraus, die einige der vorbeschriebenen Nachteile beseitigen oder wenigstens mindern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitigung wenigstens einiger der vorerwähnten Nachteile aus dem Stand der Technik und in der Bereitstellung einer verbesserten Alternative für siliziumbasierte Schalt-Schaltkreise und Vorrichtungen (Hochspannung) aus dem Stand der Technik.
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Insbesondere ist eine Aufgabe wenigstens einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Senkung der Schaltverluste in Hochleistungs-Hochspannungs-Siliziumbipolarschaltvorrichtungen.
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Eine weitere Aufgabe wenigstens einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung besteht in der Verhinderung einer Instabilität einer Siliziumbipolarvorrichtung infolge eines gleichzeitigen Hochstrom-Hochspannungs-Betriebes.
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Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung können wenigstens teilweise mittels eines Schalt-Schaltkreises und eines Steuer- bzw. Regelschaltkreises gemäß Definition in den unabhängigen Ansprüchen erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Schalt-Schaltkreis bereitgestellt. Der Schalt-Schaltkreis umfasst eine erste siliziumbasierte Schaltvorrichtung (nachfolgend auch als Hauptschalter oder operative Schaltvorrichtung bezeichnet) und eine zweite Schaltvorrichtung (nachfolgend auch als Dämpfer (snubber) oder Dämpferschalter (snubber switch) bezeichnet), die ein eine breite Bandlücke aufweisendes Halbleitermaterial (so beispielsweise Siliziumkarbid oder ein Gruppe-III-Nitrid, was nachstehend noch weiter beschrieben wird) beinhaltet. Die erste Schaltvorrichtung und die zweite Schaltvorrichtung sind parallel verbunden.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist dahingehend von Vorteil, dass es Mittel zum Überwinden von hohen Schaltverlusten und Trägerplasmainstabilitäten in siliziumbasierten Schaltvorrichtungen, so beispielsweise in Siliziumbipolarschaltern (Silizium Si), bereitgestellt. Der Schalt-Schaltkreis oder Vorrichtung umfasst erste und zweite Schaltvorrichtungen, die parallel verbunden sind, und kann als Verbundschalter bzw. zusammengesetzter Schalter (composite switch) bezeichnet werden.
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Die ersten Schaltvorrichtung kann als Hauptsiliziumbipolarschalter bezeichnet werden, und die zweite Schaltvorrichtung kann ein (im Vergleich zur Schaltgeschwindigkeit der ersten Schaltvorrichtung) schneller Dämpferschalter sein, der beispielsweise Siliziumkarbid beinhaltet. Der Dämpferschalter kann wenigstens während des Ausschaltens des Hauptschalters aktiviert (das heißt eingeschaltet) sein, um so das hohe Kollektorpotenzial des Hauptbipolarschalters auf einen niedrigen Wert zu klemmen.
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Wie nachstehend weiter beschrieben wird, kann der Dämpferschalter auch während des Einschaltens des Hauptschalters aktiviert werden.
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Über die zweite Schaltvorrichtung (Dämpferschalter) und insbesondere den Dämpfeffekt hiervon wird der sich ergebende Schalt-Schaltkreis weniger empfindlich gegenüber einer Beschädigung beispielsweise durch eine Spitzenleistungsableitung bzw. einen Spitzenleistungsverlust während des Einschaltens und Ausschaltens beim Schalten von hohen Strömen beispielsweise aus einer Hochspannungsversorgung, obwohl die erste Schaltvorrichtung empfindlich gegenüber einer Beschädigung aus einer derartigen Spitzenleistungsableitung bzw. einem solchen Spitzenleistungsverlust sein kann.
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Entsprechend einer Ausgestaltung ist der Ausgabeanschluss der ersten Schaltvorrichtung (oder der Haupt-Si-Bipolarschalter) elektrisch mit dem Ausgabeanschluss der zweiten Schaltvorrichtung (oder des Dämpferschalters) verbunden, und der Eingabeanschluss der ersten Schaltvorrichtung (oder des Haupt-Si-Bipolarschalters) ist elektrisch mit dem Eingabeanschluss der zweiten Schaltvorrichtung (oder des Dämpferschalters) verbunden. Die Ausgabe- und Eingabeanschlüsse werden zum Anlegen einer Betriebsspannung an die erste und zweite Schaltvorrichtung verwendet, um einen Schaltvorgang des Schalt-Schaltkreises zu implementieren. Mit anderen Worten, der Hauptstromweg der ersten Schaltvorrichtung ist parallel mit dem Hauptstromweg der zweiten Schaltvorrichtung verbunden.
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In Bezug auf die eine breite Bandlücke aufweisenden Halbleitermaterialien für den Dämpferschalter kann ein sehr viel höheres Hochspannungsschalten als dasjenige erreicht werden, das bei Siliziumbipolarvorrichtungen erreichbar ist, und zwar unter Verwendung von eine breite Bandlücke (Wide Bandgay WBG) aufweisenden Halbleitermaterialien, so beispielsweise SiC oder Gruppe-III-Nitriden. Derartige Materialien weisen eine Bandlücke auf, die breiter als diejenige von Si ist, und bieten merkliche Vorteile gegenüber Silizium beispielsweise infolge ihres äußerst hohen Durchschlagsfeldes, das annähernd zehnmal höher wie das Durchschlagsfeld bei Silizium ist, und zwar sowohl für Siliziumkarbid wie auch Gruppe-III-Nitride.
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Zwei Arten von WBG-Halbleitermaterialien kommen zur Herstellung von Hochspannungs-Hochleistungs-Vorrichtungen entsprechend Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in Betracht. Die erste Gruppe von WBG-Halbleitermaterialien ist durch die Hexagonalpolytypen (Kristallmodifikationen) von Siliziumkarbid SiC dargestellt. Von diesen Polytypen kann der 4H-SiC-Polytyp zur Herstellung von Hochleistungs-Hochspannungs-Schalt-Schaltkreisen bevorzugt werden, da er die günstigste Kombination aus hoher Elektronenmobilität und hohem Durchschlagsfeld bietet. Die zweite Gruppe von WBG-Halbleitermaterialien für Leistungsvorrichtungsanwendungen wird von Galliumnitrid (GaN) und Legierungen hieraus mit Aluminiumnitrid (AlN), mit Indiumnitrid (InN) oder sowohl mit AlN wie auch mit InN dargestellt. Die GaN-basierten Legierungen werden im Folgenden als AlGaInN bezeichnet.
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Im Folgenden kommen aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften und/oder ihrer verfügbaren Kristallgröße und Güte für Hochspannungs-Hochleistungs-Vorrichtungsanwendungen beispielsweise 4H-SiC und AlGaInN als WBG-Materialien in Betracht. Es ist einsichtig, dass auch andere WBG-Halbleitermaterialien in Betracht kommen können, die dieselben Vorteile für Hochspannung-Hochleistungs-Vorrichtungsanwendungen bieten.
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Der Spannungsstandehaltebereich bzw. Stehspannungsbereich (voltage-withstanding region) eines eine breite Bandlücke aufweisenden Halbleitermaterials kann zehnmal dünner (oder bei einer seitlichen Vorrichtungausgestaltung kürzer) als der Spannungsstandhaltebereich in Silizium sein. Darüber hinaus kann die Minoritätsträgerladung eines Spannungsstandhaltebereiches in einer Vorrichtung aus einem eine breite Bandlücke aufweisenden Material annähernd zehnmal höher als die Majoritätsträgerladung eines Spannungsstandhaltebereiches in Silizium sein. Die Konduktanz (Leitfähigkeit) der Spannungstandhalteschicht kann daher hundertmal höher als die Konduktanz einer Majoritätsträgersiliziumvorrichtung mit derselben Fläche und demselben Spannungsnennwert sein.
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Obwohl die Maximalleistungspegel, die bei WBG-Schalttechnologien zur Verfügung stehen, im Vergleich zu Silizium niedrig sind, da verfügbare Chips viel kleiner als bei Silizium sind, insbesondere da die Dichte von Defekten (beispielsweise „Killerdefekte”) in WBG-Materialien in großflächigen Vorrichtungen untragbar hoch ist, kann eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit in Leistungsschaltvorrichtungen unter Verwendung von WBG-Materialien erreicht werden. Für Siliziumkarbid kann ein schnelles Hochleistungsschalten bei Bipolartransistoren (BJT), bei Vertikal-MOSFETs und bei Vertikal-JFETs erreicht werden. Leistungs-AlGaInN-Vorrichtungen können auf verschiedenen Varianten eines Heteroübergangs-FET-Designs vom Seitentyp basieren. Bei vorliegender Anwendung kann die untere Grenze für Hochspannungsanwendungen bei annähernd 1000 V definiert werden.
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Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Chipgröße und der Stromnennwert des Dämpferschalters im Sinne einer Aufrechterhaltung desselben Ein-Zustandsstromes wie der Nennstrom des Hauptschalters gewählt werden, vorausgesetzt, dass der Ein-Zustands-Spannungsabfall des Dämpferschalters bei Pulsbetriebsbedingungen annähernd zwischen dem 1,5- und 10-Fachen des Ein-Zustands-Spannungsabfalls des Hauptschalters beim Nennstrom des Hauptschalters ist.
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Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Steuer- bzw. Regelschaltkreis bereitgestellt. Der Steuer- bzw. Regelschaltkreis ist mit einem Schalt-Schaltkreis gemäß Definition entsprechend dem ersten Aspekt der Erfindung oder gemäß Definition bei einem beliebigen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele verbindbar. Der Steuer- bzw. Regelschaltkreis ist dafür ausgelegt, die zweite Schaltvorrichtung während eines Einschaltens (turn-on) und/oder eines Ausschaltens (turn-off) des Hauptschalters (das heißt der ersten Schaltvorrichtung) zu aktivieren.
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Der Steuer- bzw. Regelschaltkreis kann die Treiberstufen entweder innerhalb desselben Chips oder als eigenständige Schaltungskomponenten beinhalten.
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Sowohl das Einschalten wie auch das Ausschalten des Hauptschalters können unter den Bedingungen einer niedrigen Anschlussspannung bewerkstelligt werden, da die Anschlussvorspannung durch den Ein-Zustands-Dämpferschalter während beider Übergänge, die den Einschalt- und den Ausschaltzeiten entsprechen, geklemmt ist. Die Schaltverluste im Hauptschalter werden verringert (und vorzugsweise minimiert), da die abgeleitete bzw. verlorene Leistung das Produkt aus Strom und Spannung ist. Die Schaltverluste des Dämpferschalters können infolge seines schnellen Einschaltens und Ausschaltens, das WBG-Schaltern inhärent ist, niedrig sein.
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Der Dämpferschalter kann nur während eines (kleinen) Teiles der gesamten Einschaltzeit des Verbundschalters arbeiten. Der Pulsbetrieb des Dämpferschalters mindert thermische Beschränkungen, die WBG-Vorrichtungen inhärent sind. Die Stromdichte in dem WBG-Dämpfer kann derart gewählt werden, dass sie viel höher als diejenige ist, die für einen eigenständigen Betrieb eines WBG-Schalters in einem Leistungsumwandler mit Schaltmodus (switch-mode) verfügbar ist.
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Der Verbundschalter entsprechend Ausführungsbeispielen der Erfindung weist mehrere Vorteile gegenüber eigenständigen Bipolarsilizium- und WBG-Komponenten auf. So werden beispielsweise die Schaltverluste des siliziumbasierten Hauptleistungsschalters verringert, da das Einschalten bei Nahe-Null-Spannungsbedingungen erfolgen kann, wohingegen das Ausschalten unter Nahe-Null-Strombedingungen erfolgen kann.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind dahingehend von Vorteil, dass herkömmliche Beschränkungen hinsichtlich des sicheren Betriebsbereiches (Safe Operation Area SOA) des Siliziumschalters abgeschwächt werden, da das hochdichte Trägerplasma nicht mehr einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt ist. Im Ergebnis ist ein Optimieren oder wenigstens ein Verbessern der Bipolarschalterausgestaltung zum Erreichen eines niedrigen Ein-Zustands-Widerstandes möglich, der ansonsten infolge der SOA-Beschränkungen inakzeptabel wäre. Die Ein-Zustands-Gleichstromverluste des Hauptschalters können im Ergebnis ebenfalls gesenkt werden.
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Des Weiteren sind die Strompegel, die bei dem WBG-Dämpferschalter verfügbar sind, höher als die Ströme, die bei demselben WBG-Schalter als eigenständiger Schaltvorrichtung verfügbar sind. Derartige höhere Ströme führen zu einer erhöhten Ein-Zustandsspannung des WBG-Dämpferschalters. Die gesamte Ein-Zustandszeit des Dämpferschalters kann jedoch viel kürzer als die Ein-Zustandszeit des Hauptschalters sein. Daher hat der vergrößerte Spannungsabfall an dem Dämpfer keine wesentliche Auswirkung auf den Gesamtenergieverlust.
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Demgegenüber kann die WBG-Komponente des Verbundschalters eine viel kleinere Chipgröße als diejenige verwenden, die für herkömmliche Leistungsumwandlerausgestaltungen, bei denen nur ein WBG-Leistungsschalter verwendet wird, erforderlich ist. Zusätzlich zur Verbesserung des ökonomischen Aspektes dahingehend, dass die Größe der WBG-Komponente verringert wird, sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dahingehend von Vorteil, dass das Konzipieren von elektrischen Hochleistungsumwandlungssystemen erleichtert wird, die bei der derzeit vorhandenen WBG-Technologie infolge der begrenzten Chipgröße nicht zur Verfügung stehen.
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Zur Steuerung bzw. Regelung der Komponenten oder Vorrichtungen des Schalt-Schaltkreises kann der Steuer- bzw. Regelschaltkreis mit wenigstens einer Messsonde ausgestattet sein. Eine Strommessung kann beispielsweise ausgeführt werden, um Kurzschlussbedingungen in der Last in zeitabhängiger Weise zu erfassen. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der Hauptschalter ein Silizium-BJT oder ein Isoliergate-Siliziumbipolartransistor (IGBT) sein.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Dämpferschalter wenigstens eines von einem SiC-Bipolartransistor (BJT), einem SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), einem SiC-Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET), einem SiC-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und einem SiC-Isoliergate-Bipolartransistor (IGBT) sein.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Dämpferschalter ein AlGaInN-Heteroübergangs-Feldeffekttransistor sein, der auch als GaN-basierter Heteroübergangs-Feldeffekttransistor bezeichnet werden kann (da die AlGaInN-Verbindungen, die bei den Transistoren zum Einsatz kommen, GaN als Hauptkomponente einer binären oder ternären Legierung aufweisen).
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der Dämpferschalter eine Kaskodenschaltung beinhalten, die einen WBG-Feldeffekttransistor (normally on bzw. normalerweise ein) und eine zweite (Niederspannungs-)Komponente (normally off bzw. normalerweise aus) auf Grundlage von Silizium umfasst. Insbesondere kann die zweite Komponente ein Niederspannungs-Normally-off-MOSFET sein. Eine Reihenverbindung einer Normally-off-Komponente bietet zusätzliche Sicherheitsmerkmale, was bei Hochleistungsanwendungen von Vorteil ist.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der Niederspannungs-Silizium-MOSFET einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss bzw. Drainanschlüsse mit Klemmung durch eine Zener-Diode aufweisen.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann die erste Schaltvorrichtung in einem ersten Chip implementiert sein, und die zweite Schaltvorrichtung kann in einem zweiten Chip implementiert sein, wobei die Chips als Hybridanordnung in einer Packung angeordnet sind. Mit anderen Worten, die hybridgepackte Komponente kann derart bereitgestellt werden, dass ein Chip mit dem Dämpferschalter und ein Chip mit dem Hauptschalter beinhaltet sind, wobei die beiden Chips parallel als Hybridanordnung verbunden sind. Die Packung kann mit zwei Zuleitungen zum Verbinden von Anoden und Kathoden der Schalter versehen sein, wie auch mit zwei Zuleitungen für die Steuer- bzw. Regelelektroden. Die Steuerelektrode ist in diesem Fall ein generischer Name, der für ein Gate, wenn der Schalter spannungsgesteuert ist, oder für die Basis, wenn der Schalter ein BJT ist, steht.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann eine Hybridkomponente bereitgestellt werden, die einen Chip mit dem Dämpferschalter und einen Chip mit dem Hauptschalter beinhaltet, wobei die beiden Chips parallel verbunden sind. Des Weiteren kann die Hybridkomponente eine Antiparallelgleichrichterdiode beinhalten. Die Antiparalleldiodenverbindung bezeichnet eine Parallelschaltungsverbindung, wobei jedoch die Richtung des Ein-Zustands-Diodenstroms entgegengesetzt zur Richtung des Schalter-Ein-Zustandsstromes ist. Die drei Vorrichtungen (erste Schaltvorrichtung, zweite Schaltvorrichtung und Antiparalleldiode) können in einer einzigen physischen Packung als Hybridanordnung gepackt sein. Die Packung kann mit zwei Zuleitungen zur Anbindung der Anoden und Katoden der Schalter wie auch zwei Verbindungen zur Anbindung der Steuer- bzw. Regelelektroden versehen sein.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel ist ein Schaltsystem vorgesehen, das wenigstens zwei Schaltvorrichtungen gemäß Definition bei einem beliebigen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele umfasst. So können beispielsweise sechs identische Schaltungen in einem Modul als Hybridanordnung zusammengepackt sein. Jeder der Schalt-Schaltkreise kann einen Hauptsiliziumbipolarschalter und einen Dämpferschalter in Parallelverbindung aufweisen, sowie optional eine antiparallel angebundene Gleichrichterdiode gemäß Definition bei den vorherigen Ausführungsbeispielen. Die Packung kann mit Zuleitungen zum Anbinden der Anoden und Katoden der Schalter wie auch Zuleitungen zur Anbindung der Steuerelektroden für jede der sechs Schaltungen versehen sein.
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Insbesondere mit Bezug auf den Steuer- bzw. Regelschaltkreis gemäß Definition beim zweiten Aspekt der Erfindung kann der Steuer- bzw. Regelschaltkreis entsprechend einem Ausführungsbeispiel dafür ausgestaltet sein, die zweite Schaltvorrichtung wenigstens während einer Zeitspanne zu aktivieren, die dem Ein- bis Mehrfachen der Lebenszeit von Minoritätsträgern in der ersten Schaltvorrichtung entspricht.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der Steuer- bzw. Regelschaltkreis ausgelegt sein zum beim Einschalten der ersten Schaltvorrichtung erfolgenden Aktivieren der zweiten Schaltvorrichtung für eine Zeitspanne mit einer Dauer wenigstens während eines Viertels der Zeit, und vorzugsweise für eine Zeitspanne gleich, der Einschaltzeitspanne der ersten Schaltvorrichtung. Die vorliegende Erfindung ist dahingehend von Vorteil, dass der Steuer- bzw. Regelschaltkreis dafür ausgelegt sein kann, die zweite Schaltvorrichtung während der Zeit zu aktivieren, die für die Injektion von Trägern in der ersten Schaltvorrichtung benötigt wird, um so einen Overshoot der Ein-Zustandsspannung der ersten Schaltvorrichtung zu vermeiden.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der Steuer- bzw. Regelschaltkreis derart ausgestaltet sein, dass die Dauer der Einschaltzeitspanne der zweiten Schaltvorrichtung bei einer Erhöhung der Übergangstemperatur der ersten Schaltvorrichtung erhöht wird.
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Es sollte einsichtig sein, dass der Steuer- bzw. Regelschaltkreis vorteilhafterweise derart ausgestaltet ist, dass die Bedingungen eines übermäßigen Vorwärtsabfalls für eine beliebige der Schaltvorrichtungen erfasst werden. Eine Rückkopplungsschleife kann zwischen dem Schalt-Schaltkreis und dem Steuer- bzw. Regelschaltkreis vorgesehen sein. Entsprechend einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung mit Schaltmodus vorgesehen. Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung mit Schaltmodus beinhaltet einen Schalt-Schaltkreis oder ein Schaltsystem gemäß Definition bei einem beliebigen der vorherigen Ausführungsbeispiele und einen Steuer- bzw. Regelschaltkreis gemäß Definition bei einem beliebigen der vorherigen Ausführungsbeispiele.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich bei einem Studium der nachfolgenden detaillierten Offenbarung, der Zeichnung und der beigefügten Ansprüche. Es sollte einsichtig sein, dass verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können, um Ausführungsbeispiele zu erzeugen, die nicht die diejenigen sind, die nachfolgend beschrieben werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Vorstehende wie auch weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich besser durch die nachfolgende illustrative und nichtbeschränkende Detailbeschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Beiziehung der beigefügten Zeichnung, die sich wie folgt zusammensetzt.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Schalt-Schaltkreises entsprechend einem Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt eine Einschalt- und Ausschaltsequenz für einen Schalt-Schaltkreis entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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3 ist ein Graph zur Darstellung des Niveaus gespeicherter Minoritätsladungsträger in einer Schaltvorrichtung als Funktion der Zeit entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine Schaltung zur Darstellung eines Verbundschalterdesigns, das eine Kaskodenverbindung der Dämpferschaltung beinhaltet, entsprechend einem Ausführungsbeispiel.
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5 zeigt eine Schaltung, die einen Verbundschalter beinhaltet, der mit einer Antiparallelgleichrichterdiode versehen ist, entsprechend einem Ausführungsbeispiel.
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Alle Figuren sind schematisch, nicht zwangsweise maßstabsgetreu und zeigen im Allgemeinen nur Teile, die notwendig sind, um die Erfindung zu erläutern, wohingegen andere Teile weggelassen oder auch nur angedeutet sein können.
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Detailbeschreibung
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In 1 gezeigt ist eine schematische Ansicht eines Schalt-Schaltkreises entsprechend einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt einen Schalt-Schaltkreis 100, umfassend eine erste Schaltvorrichtung 110 mit Wirkung als Hauptschalter und eine zweite Schaltvorrichtung 120 mit Wirkung als Dämpfer (snubber). Beim vorliegenden Beispiel ist der Dämpferschalter 120 ein Schnellschalter, der ein SiC-BJT sein kann. Gleichwohl kann der Dämpferschalter 120 auch ein JFET, ein MESFET, ein MOSFET oder ein IGBT sein, vorzugsweise beinhaltend SiC, sodass das Schalten des Dämpferschalters sehr schnell ist. Insbesondere stellt SiC ein hohes Durchschlagsfeld bereit, das zu sehr dünnen Driftbereichen in SiC-Leistungsvorrichtungen führt. Zusätzlich ist bei SiC-Vorrichtungen der sichere Betriebsbereich (SOA, das heißt derjenige Bereich, der unter der Bedingung eines hohen elektrischen Feldes frei von Plasmainstabilität ist) äußerst breit, was in den meisten Fällen Probleme in Bezug auf die Stabilität der SiC-Vorrichtung unter Einschalt- und Ausschaltetbedingungen beseitigt (oder wenigstens merklich verringert). Dies gilt auch für den Siliziumkarbid-BJT, das eine sehr kleine gespeicherte Minoritätsträgerladung im Vergleich zu anderen Leistungsvorrichtungen aufweist.
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Basiert die zweite Schaltvorrichtung 120 (das heißt der Dämpfer) auf einer SiC-Technologie und ist ein Normally-on-FET, so diktieren Sicherheitsbestimmungen eine Kaskodenschaltung mit einem Niederspannungs-MOSFET als zweite Komponente der Kaskodenschaltung. Der Niederspannungs-MOSFET ist gegebenenfalls nicht aus SiC gefertigt und kann andere Halbleitermaterialien, so beispielsweise Si, beinhalten. Der Niederspannungs-MOSFET beeinträchtigt die Schaltgeschwindigkeit des Schalt-Schaltkreises nicht, da ein beliebiger Durchgang (transient) durch die Hochspannungskomponente reguliert wird.
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Des Weiteren kann eine Steuerung bzw. Regelung oder ein Treiber 200 mit dem Schalt-Schaltkreis 100 zum Steuern bzw. Regeln eines Betriebes des Dämpferschalters 120 verbunden sein. Die Steuerung bzw. Regelung kann dafür ausgestaltet sein, den Dämpferschalter entsprechend einem bestimmten Schema, das nachstehend detailliert beschrieben wird, einzuschalten oder auszuschalten. Zu diesem Zweck kann jede der ersten und zweiten Schaltvorrichtungen 110 und 120 des Schalt-Schaltkreises 100 Steuer- bzw. Regeleingabeanschlüsse zum Empfangen von Steuer- bzw. Regelsignalen von dem Treiber 200 beinhalten.
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Wie in 2 und 3 gezeigt ist, kann der Siliziumkarbidschalter 120 während des Einschaltens und Ausschaltens des Hauptschalters aktiviert (eingeschaltet) sein, wohingegen die Pulslänge gleich T1 und T2 für erste beziehungsweise zweite Ein-Zustandszeitspannen ist. Für das Hauptschalterausschalten stellt die Zeittaktung (timing) (wenigstens beinahe) eine vollständige Klemmung der Versorgungsspannung durch den Dämpferschalter 120 im offenen Zustand bereit, bevor die Minoritätsträgerladung in dem Hauptschalter 110 merklich gesenkt wird. Die Klemmenausschaltpulslänge T2 des Dämpferschalters 120 kann vorzugsweise das Ein- bis Mehrfache der Lebenszeit der Minoritätsträger in dem Hauptbipolarschalter 110 sein. Nach dem Ausschalten des Dämpferschalters 120 tritt eine Umkehrspannungsrückgewinnung (reverse voltage recovery) unter den Bedingungen einer sehr niedrigen Minoritätsträgerladung auf, die eine Instabilitätsentwicklung von freiem Trägerplasma infolge einer Lawinen- bzw. Avalanche-Vervielfältigung wie auch einen Verlust bzw. eine Ableitung von überschlüssiger Leistung verhindert.
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Das Einschalten des Hauptsiliziumbipolarschalters ist im Allgemeinen nicht derart nachteilig vom Standpunkt einer möglichen Beschädigung an der Komponente infolge der Trägerplasmainstabilität, da die Anschlussspannung des Bipolarschalters schnell während des Einschaltens sinkt. Demgegenüber sind die Leistungsverluste während des Einschaltens mit denjenigen während des Ausschaltens vergleichbar. Ein Grund für den hohen Einschaltverlust ist eine erhöhte Ein-Zustandsspannung des Bipolarschalters unmittelbar nach dem Einschalten, ein so genannter Ein-Zustands-Spannung-Overshoot. Es ist dauert eine bestimmte Zeit, bis die Minoritätsträger über die gesamte Dicke der Spannungsstandhalteschicht verteilt sind. Während der Spannungsneuverteilungszeit ist die dynamische Ein-Zustandsspannung sehr viel höher als die Stationärzustandsspannung für denselben Strom. Die Trägerträgerneuverteilungszeit in einer Bipolarvorrichtung ist üblicherweise mit der Minoritätsträgerlebensdauer vergleichbar. Es wird daher vorgezogen, wenn die Einschaltpulsdauer T2 wenigstens zwischen einem Viertel und der Hälfte des Ausschaltpulses ist.
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Es wird weiter bevorzugt, wenn die Dauer des Dämpferschalter-Ein-Zustandes während dem Einschalten des Hauptschalters, also T1, vergleichbar mit derjenigen für das Ausschalten, also T2, ist.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung bzw. Regelung 200 derart ausgestaltet sein, dass der Dämpferschalter 120 in einem Aus-Zustand oder einem Beinahe-Aus-Zustand zwischen Einschalt- und Ausschaltdämpferpulsen gehalten werden kann (das heißt zwischen den Zeiten des Einschaltens und Ausschaltens des Schalt-Schaltkreises). Mit anderen Worten, die Dämpfervorrichtung 120 kann nur in Zeitintervallen aktiviert (oder verwendet) werden, wenn dies letztlich für eine Minimalleistungsableitung bzw. einen Minimalleistungsverlust benötigt wird (das heißt, der Dämpfer wird ausgeschaltet, wenn er letztlich nicht benötigt wird). Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass es thermische Beschränkungen aufhebt, die bei der SiC-Schalttechnologie auftreten können, da die Elektronenmobilität in SiC bei steigender Temperatur schnell gesenkt wird. Die Verwendung des Dämpferschalters 120 als Teilbypass für den Hauptschaltstrom während der gesamten Einschaltzeitspanne der ersten Schaltvorrichtung 110 kann den Ein-Zustands-Widerstand des Dämpferschalters 120 erhöhen und zu einem erhöhten Leistungsverlust während der Einschalt- und Ausschaltdämpferpulse führen, wenn eine hohe Spannung benötigt wird. Das Begrenzen des Ein-Zustandes des Dämpferschalters 120 auf das Einschalten und Ausschalten der ersten Schaltvorrichtung (das heißt das Aufrechterhalten des Dämpferschalter-Aus-Zustandes zwischen Einschalt- und Ausschaltpulsen) ist auch insbesondere dann von Vorteil, wenn ein SiC-BJT als Dämpferschalter verwendet wird, da ansonsten eine Überhitzung entstünde, ein Teil der Stromverstärkung verloren ginge und auch ein hoher Basisstrom während des Si-Leitungszyklus verbraucht würde. Damit wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zuverlässigere Schaltvorrichtung bereitgestellt, da die Leistungsableitung bzw. der Leistungsverlust beschränkt wird (Insbesondere ist die Leistungsableitung bzw. der Leistungsverlust über den Dämpferschalter 120 während der Si-Vorrichtungsübergänge begrenzt).
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Des Weiteren sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung insbesondere bei hohen Spannungen von Vorteil, beispielsweise für Nennwerte von 1000 V und mehr, bei denen Probleme mit Umkehrrückgewinnung (reverse recovery) am stärksten auftreten.
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Es sollte einsichtig sein, dass die Funktionen des Steuer- bzw. Regelschaltkreises nicht auf das Ein- oder Ausschalten der Schaltkomponenten in einer vorbestimmten Zeit beschränkt sind. Die Steuerung bzw. Regelung kann vorzugsweise die Einschaltzeit (Pulsbreite) und die Phase des Hauptschalters regulieren, um so eine gewünschte Leistung für die Last bereitzustellen. Die Leistungsumwandlungsschaltung, die einen Verbundschalter verwendet, kann auch dafür ausgestaltet sein, die in der Last angesammelte Energie beispielsweise als Elektromotor zurück an das Leistungsversorgungsnetzwerk zu geben. Eine typische Steuerung bzw. Regelung kann vorteilhafterweise bestimmte Rückkopplungselemente beinhalten, so beispielsweise Strom- und Spannungsmesser, die am Leistungseingang und Leistungsausgang der Leistungsumwandlungsschaltung platziert sind. Spannungs- und Stromsensoren können auch in der Umgebung der Leistungsschaltkomponenten platziert sein, um beispielsweise einen übermäßigen Vorwärtsspannungsabfall zu erfassen. Eine Steuerung bzw. Regelung kann auch vorteilhafterweise bestimmte Sicherheitsfunktionen beinhalten, so beispielsweise ein Ausschalten der Leistungsschalter unter Überlastbedingungen, um den Wandler unter Steuerung bzw. Regelung auf zeitabhängige Weise herunterzufahren (shut down), wenn Überlastbedingungen auftreten. Derartige Steuerungs- bzw. Regelungsfunktionen sind für eine Steuerung bzw. Regelung einer Hochleistungsumwandlungsschaltung generisch. Bestimmte zusätzliche Möglichkeiten existieren jedoch hinsichtlich einer Verbesserung oder Optimierung des Betriebes des Verbundschalters, die nicht für eine herkömmliche Designarchitektur spezifisch sind.
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Der Hauptbipolarschalter kann mit einem Temperatursensor versehen sein. Die Steuerung bzw. Regelung kann des Weiteren derart ausgestaltet sein, dass die Dauer sowohl von T1 sowie von T2 mit einer zunehmenden Hauptschaltertemperatur zunimmt, um so die Zunahme von Minoritätsträgerlebenszeiten in Silizium bei zunehmender Übergangstemperatur zu berücksichtigen.
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Anhand 4 wird ein Schalt-Schaltkreis entsprechend einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
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4 zeigt einen Verbundschalter mit einem Siliziumkarbid-JFET 410, einem Si-IGBT 430 und, über eine Kaskodenverbindung, einem Silizium-LV-MOSFET 420 (Low Voltage LV, Niederspannung). Der Normally-on-Zustands-SiC-JFET-Schalter 410 ist mit einer Kaskodenverbindung zu einem Niederspannungs-Silizium-MOSFET 420 versehen, um so einen Normally-off-Betrieb der sich ergebenden Schaltung sicherzustellen. Eine positive Vorspannung an dem MOSFET-Gate 421 des MOSFETs 420 öffnet sowohl den JFET 410 wie auch den MOSFET 420. Eine Null-Vorspannung am Gate 421 des MOSFETs 420 schließt den MOSFET 420. Das Potenzial der JFET-Source 412 übersteigt das dem JFET-Gate 411 zu eigene Potenzial um die Maximalspannung, die der Niederspannungs-MOSFET 420 sperren kann. Bei einer geeigneten Wahl des MOSFETs kann ein zuverlässiger Aus-Zustand des Hochspannungs-JFET sogar dann erreicht werden, wenn sich herausstellt, dass keine Leistung für den Treiber der SiC-Dämpfer-Schaltung 410 verfügbar ist. Es wird bevorzugt, wenn der MOSFET 420 eine eingebaute Zener-Dioden-Funktion aufweist, um so eine im Wesentlichen konstante Maximalspannung aufrecht zu erhalten und auch den Lawinen- bzw. Avalanche-Bedingungen ohne Beschädigung standzuhalten. Ist Letzteres bei einem gewählten MOSFET nicht der Fall, so kann ein externer Silizium-MOSFET zum Klemmen von Source- und Drain-Elektroden 422 und 423 des MOSFETs 420 bereitgestellt werden. Dieselbe Kaskodenschaltung kann zum Treiben eines GaN-basierten Normally-on-Zustands-FETs verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, sowohl Haupt- wie auch Dämpferkomponenten des Verbundschalters in derselben Packung montiert zu haben. Eine derartige Zusammenpackung verringert die Packungskosten und minimiert zwischen den beiden parallelen Komponenten den Spannungsoffset, der schwierig zu beseitigen ist, wenn Haupt- und Dämpferschaltungen in separaten Packungen montiert sind. Bei Hochspannungspegeln und schnellen Übergängen von etwa 10 ns können Übergangsspannungsoffsets zwischen zwei Komponenten von mehr als 100 V infolge der Parasitärzuleitungsinduktanz auftreten. Eine derartige Parasitärinduktanz kann minimiert oder wenigstens verringert werden, wenn die Chips in derselben Packung montiert sind.
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Es sollte einsichtig sein, dass die tatsächliche Hybridpackung mehr als einen Chip desselben Typs beinhalten kann, und zwar insbesondere dann, wenn großflächige Chips eines bestimmten Typs nicht ohne Weiteres verfügbar sind. Bei einem Beispiel kann eine Zusammenpackung einen einzelnen IGBT-Chip und zwei oder mehr WBG-Schalter beinhalten. Bei einem weiteren Beispiel kann sie einen IGBT und eine Kaskodenschaltung beinhalten, und zwar mit einem Normally-on-Niederspannungs-Silizium-MOSFET-Chip und einem Hochspannung-Normally-off-WBG-Schalter, wie in 4 gezeigt ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, den Haupt- und Dämpferschalter zusammen mit einer Antiparallelgleichrichterdiode zu packen, wie in 5 gezeigt ist. 5 zeigt einen Schalt-Schaltkreis 500, der gleichwertig zum Schalt-Schaltkreis 100 ist, der vorstehend anhand 1 beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, dass er des Weiteren eine Antiparallelgleichrichterdiode 550 umfasst. In 5 bezeichnen Pfeile die Stromflussrichtung in den Schaltern, da die Schalter nicht unidirektional sein können. Die Antiparallelgleichrichterdiode 550 kann Teil von so genannten Halbbrücken- und Vollbrückenschaltungen sein, die in der Leistungsumwandlungstechnologie mit Schaltmodus weitverbreitet sind. Eine derartige Hybridanordnung kann vorzugsweise auf einem isolierenden Keramikträger montiert sein, um so die Wärmesenke elektrisch zu isolieren.
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Eine Halbbrückenschaltung beinhaltet zwei Schalter, von denen jeder eine Antiparalleldiode aufweist. Eine Vollbrückenumwandlungsschaltung kann vier Schalter oder Komponenten für Zwei-Phasen-Anwendungen oder sechs Schalter oder Komponenten für Drei-Phasen-Anwendungen beinhalten.
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Ein zusammengepackter Verbundschalter kann wenigstens drei Chips beinhalten, nämlich einen Haupt-Si-Bipolarschalter, einen Dämpfer-WBG-Schalter und eine Antiparallel-Hochspannungsgleichrichterdiode. Die Spannungs- und Stromnennwerte der Gleichrichterdiode können vorzugsweise nahe an denjenigen für den Hauptsiliziumbipolarschalter sein. Die Antiparalleldiode kann eine Hochspannung-Hochleistungs-p-i-n-Siliziumdiode sein. Besonders bevorzugt kann die Gleichrichterdiode 550 ein Siliziumkarbid- oder GaN-Schottky-Barriere-Gleichrichter sein. Siliziumkarbid-Schottky-Barriere-Gleichrichter können sehr niedrige gespeicherte Ladung aufweisen, was ein Vorteil vom Standpunkt des Minimierens (oder wenigstens Verringerns) der Schaltverluste ist.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel ist von Vorteil, wenn der SiC- oder GaN-Schottky-Barriere-Gleichrichter durch eine Siliziumkarbid-p-i-n-Diode ergänzt wird, wobei die Schottky- und p-i-n-Gleichrichter dieselbe Polarität aufweisen. Der SiC-p-i-n-Gleichrichter weist einen höheren Vorwärtsspannungsabfall als ein Schottky-Gleichrichter unter Normalbetriebsbedingungen auf. Gleichwohl steigt dessen Vorwärtsspannungsabfall mit dem Strom nicht so schnell wie derjenige bei einem Schottky-Gleichrichter. Der SiC-p-i-n-Gleichrichter ist daher stabiler gegenüber einem Stoßstrom (surge current) als der SiC-Schottky-Gleichrichter. Der p-i-n-SiC-Gleichrichter kann mit einer Hybridpackung wie auch einem separaten Chip bereitgestellt werden. Noch vorteilhafter kann ein Schottky-Gleichrichter, der mit einer p-i-n-Diode gemischt (merged) ist, auf demselben Chip angeordnet sein, was die Gesamtchipzahl verringert.
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Es ist auch von Vorteil, wenn die Hybridanordnung sechs unabhängige Verbundschalter mit den Antiparalleldioden beinhaltet, die derart verbunden sind, wie in 5 gezeigt ist. Es sollte einsichtig sein, dass eine Sechs-Schalter-Anordnung auf einem isolierenden Keramiksubstrat angeordnet sein kann. Die Sechs-Schalter-Hybridanordnung beinhaltet sodann sämtliche Hochleistungsvorrichtungen, die für einen Drei-Phasen-Schaltmodus-Leistungsumwandler benötigt werden.
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Bestimmte Zwei-Spannungspegel-Vollbrücken-Ausgestaltungen können erfordern, dass nur die Hälfte der Schaltkomponenten bei einer hohen Schaltfrequenz läuft oder betrieben wird, während die andere Hälfte bei einer Leistungsleitungsfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz läuft oder betrieben wird. Es sollte einsichtig sein, dass eine derartige Zwei-Spannungspegel-Ausgestaltung Verbundschalter entsprechend Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nur für diejenige Hälfte, die bei einer hohen Schaltfrequenz läuft, benötigen kann.
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Kurzum, es werden neue Ausgestaltungen von Hochleistungsschalt-Schaltkreisen und Steuer- bzw. Regelschaltkreisen bereitgestellt. Ein Hauptsiliziumbipolarschalter ist parallel mit einem Dämpferschalter verbunden, der aus einem eine breite Bandlücke aufweisenden Material gebildet ist. Der Dämpferschalter wird während des Einschaltens und/oder Ausschaltens des Hauptsiliziumschalters aktiviert, um so den Schaltverlust zu minimieren und Beschränkungen hinsichtlich eines sicheren Betriebsbereiches zu aufzuheben.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, erschließen sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet verschiedene Abwandlungen und Abänderungen und dergleichen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen daher den Umfang der vorliegenden Erfindung gemäß Definition durch die beigefügten Ansprüche nicht beschränken.
