DE102014119544A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine Leistungsvorrichtung umfasst eine aktive Fläche, die zumindest zwei schaltbare Gebiete mit unterschiedlichen Schwellenwertspannungen aufweist.

Description

  • FACHBEREICH
  • Hierin beschriebene Ausführungsformen betreffen Leistungsvorrichtungen, Fehlerschutzschaltungen, Leistungswechselrichter und Zerhacker-Anwendungen.
  • HINTERGRUND
  • Es sind Leistungsvorrichtungen, die einen Nennstrom leiten können, in einem Leistungssystem bereitgestellt. Im Fall eines Ausfalls oder Kurzschlusses, der im Leistungssystem auftritt, werden die Leistungsvorrichtungen blockiert, um eine Beschädigung der Leistungsvorrichtungen zu vermeiden. Beispielsweise werden bei Leistungsvorrichtungen, die für Leistungswechselrichter bereitgestellt sind, im Fall eines Ausfalls oder eines Kurzschlusses (z.B. Brückenkurzschluss) des Leistungswechselrichters die Schalter impulsgesperrt, um eine Beschädigung der Leistungsvorrichtungen und des gesamten Wechselrichtersystems zu vermeiden. Das führt jedoch zu einem asymmetrischen Kurzschluss einer Last, die mit dem Leistungswechselrichter verbunden ist. Im Fall eines Generators einer Windturbine, der mit dem Leistungswechselrichter verbunden ist, tritt mechanische Belastung (spezifisch in Form von Wechselmomenten) in der Windturbine auf, die zur Zerstörung der Windturbine führen kann.
  • Angesicht des Obenstehenden besteht Bedarf an Verbesserung. Es ist eine Leistungsvorrichtung erwünscht, die in der Lage ist, den Lastkurzschluss zu symmetrisieren. Es ist daher vorgesehen, eine Leistungsvorrichtung zu entwickeln, die in der Lage ist, Ströme bis zu 20-mal vom Nennstrom ohne Entsättigung zu leiten.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Leistungsvorrichtung ein Halbleitersubstrat, das eine Vielzahl an schaltbaren Zellen aufweist, die eine aktive Fläche der Leistungsvorrichtung definieren, wobei jede der schaltbaren Zellen ein Emittergebiet und ein Kollektorgebiet, eine Emittermetallisierung in Ohmschem Kontakt mit dem Emittergebiet der schaltbaren Zellen und eine Kollektormetallisierung in Ohmschem Kontakt mit dem Kollektorgebiet der schaltbaren Zellen aufweist. Die aktive Fläche umfasst erste schaltbare Gebiete und zweite schaltbare Gebiete, die sich von dem ersten schaltbaren Gebiet unterscheiden, worin sowohl das erste als auch das zweite schaltbare Gebiet zumindest einen Teil von einer oder mehreren der schaltbaren Zellen umfassen. Die ersten schaltbaren Gebiete weisen einen ersten Schwellenwert im Bereich von 5 V bis 10 V auf, der einen Vorrichtungsschwellenwert definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung leitfähig wird, um einen Nennstrom der Leistungsvorrichtung zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung kontinuierlich zu leiten. Worin die zweiten schaltbaren Gebiete einen zweiten Schwellenwert im Bereich von 15 V bis 25 V aufweisen, der einen Stoßschwellenwert der Leistungsvorrichtung definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung betreibbar wird, um einen Stoßstrom zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung zu leiten, worin der Stoßstrom der Leistungsvorrichtung zumindest fünfmal so groß wie der Nennstrom der Leistungsvorrichtung ist. Die Leistungsvorrichtung kann gemäß einer Ausführungsform ein IGBT sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Fehlerschutzschaltung für ein Leistungssystem eine Leistungsvorrichtung, worin die Leistungsvorrichtung einen Kollektoranschluss in ohmschem Kontakt mit dem Kollektorgebiet der Leistungsvorrichtung und einen Emitteranschluss in ohmschem Kontakt mit dem Emittergebiet der Leistungsvorrichtung aufweist, worin der Kollektoranschluss und der Emitteranschluss mit jeweiligen Eingangsanschlüssen eines Leistungssystems, das durch die Fehlerschutzschaltung geschützt werden soll, verbunden werden kann. Die Fehlerschutzschaltung umfasst eine Detektierungsschaltung, die betreibbar ist, um eine Überspannung oder einen Überstrom für die Leistungssysteme zu detektieren, worin die Detektierungsschaltung betreibbar ist, um eine Spannung anzulegen, die gleich oder höher als der zweite Schwellenwert der Leistungsvorrichtung ist, um einen Stoßstrom zwischen den Eingangsanschlüssen des Leistungssystems zu leiten und daher die Eingangsanschlüsse des Leistungssystems kurzzuschließen. Die Leistungsvorrichtung kann gemäß einer Ausführungsform ein IGBT sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Leistungswechselrichter eine Brückenschaltung, die eine erste Halbbrücke, umfassend eine High-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen einem ersten Knoten und einem High-Side-Knoten eines Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen dem ersten Knoten und einem Low-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, umfasst. Die Brückenschaltung umfasst ferner zumindest eine zweite Halbbrücke, die eine High-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen einem zweiten Knoten und dem High-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen dem zweiten Knoten und dem Low-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, aufweist. Der Leistungswechselrichter umfasst ferner eine Gatetreiberschaltung, die mit jedem Gate der High-Side-Vorrichtung und der Low-Side-Leistungsvorrichtung der ersten und zweiten Halbbrücke verbunden ist und betreibbar ist, um für jedes Gate eine jeweilige Spannung bereitzustellen, um den Betrieb der jeweiligen Leistungsvorrichtung zu steuern, worin die Gatetreiberschaltung betreibbar ist, um eine erste Spannung bereitzustellen, die höher als eine erste Schwellenwertspannung der jeweiligen Leistungsvorrichtung ist, bei der die jeweilige Leistungsvorrichtung leitfähig wird, um einen Nennstrom der jeweiligen Leistungsvorrichtung kontinuierlich zu leiten, und eine zweite Spannung bereitzustellen, die höher als ein Stoßschwellenwert der jeweiligen Leistungsvorrichtung ist, worin der Stoßschwellenwert zumindest zweimal so hoch ist wie der erste Schwellenwert ist und das Einsetzen eines Stoßstrombetriebsbereichs der jeweiligen Leistungsvorrichtung definiert, bei dem die jeweilige Leistungsvorrichtung betreibbar wird, um einen Stoßstrom zu leiten, der zumindest fünfmal so groß wie der Nennstrom der jeweiligen Leistungsvorrichtung ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Kurzschließer (Crowbar) eine erste Diodenbrücke, einen ersten Knoten und eine Leistungsvorrichtung.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Zerhacker-Anwendung (Chopper-Anwendung) einen ersten Eingangsanschluss zum Verbinden mit einer Leistungsversorgung, einen ersten Ausgangsanschluss zum Verbindung mit einer Last und eine Leistungsvorrichtung, worin die Leistungsvorrichtung parallel mit dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss elektrisch verbunden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswechselrichters bereitgestellt, der eine Brückenschaltung aufweist, die eine erste Halbbrücke umfasst, die eine High-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen einem ersten Knoten und einem High-Side-Knoten eines Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen dem ersten Knoten und einem Low-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, aufweist, und zumindest eine zweite Halbbrücke umfasst, die eine High-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen einem zweiten Knoten und dem High-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen dem zweiten Knoten und dem Low-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, aufweist. Das Verfahren umfasst: das Detektieren einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce und/oder eines Kollektorstroms Ic; das Bestimmen, ob eine Überstrom- oder Überspannungsbedingung erreicht wurde; und das Anlegen einer Gate-Spannung Vg über einem Stoßschwellenwert, der das Einsetzen eines Stoßstrombetriebsbereichs der jeweiligen Leistungsvorrichtung definiert.
  • Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung erkennen zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und beim Ansehen der beiliegenden Zeichnungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Bestandteile in den Figuren sind nicht notwendigerweise im Maßstab. Stattdessen wird der Schwerpunkt auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. Außerdem bezeichnen in den Figuren ähnliche Referenzzeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen:
  • veranschaulicht 1 eine Leistungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
  • veranschaulicht 2 eine Übertragungskennlinie einer Leistungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • veranschaulichen die 3A bis 3G die Funktion der Leistungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
  • veranschaulicht 4 ein Diagramm, das eine Schwellenwertspannung einer Leistungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
  • veranschaulichen die 5A bis 5D schaltbare Zellen einer Leistungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • veranschaulichen die 6A bis 6B Draufsichten auf eine Leistungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit erhöhtem Flächenverhältnis von den zweiten schaltbaren Gebieten zum Randabschluss der zweiten zu einer Ausführungsform;
  • veranschaulicht 7 eine Fehlerschutzschaltung gemäß einer Ausführungsform;
  • veranschaulichen die 8A bis 8C einen Leistungswechselrichter gemäß einer Ausführungsform;
  • veranschaulicht 9 eine Zerhacker-Schaltung gemäß einer Ausführungsform; und
  • veranschaulicht 10 einen Kurzschließer gemäß einer Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil davon bilden und in denen durch Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie z. B. „obere/r/s“, „untere/r/s“, „vorderseitige/r/s“, „rückseitige/r/s“, „führende/r/s“, „nachfolgende/r/s“, „laterale/r/s“, „vertikale/r/s“ etc. in Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Diese Begriffe sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung zusätzlich zu unterschiedlichen Orientierungen als die in den Figuren dargestellten umfassen. Da Bauteile von Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Darstellungszwecken verwendet und ist in keiner Weise beschränkend. Ferner werden Begriffe wie etwa „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und dergleichen verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte etc. zu beschreiben und sollen ebenfalls nicht beschränkend sein. Ähnliche Begriffe beziehen sich auf ähnliche Elemente in der Beschreibung. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende Detailbeschreibung ist daher nicht in einem beschränkenden Sinn aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird von den beiliegenden Patentansprüchen definiert. Die beschriebenen Ausführungsformen verwenden eine spezifische Sprache, was nicht so aufgefasst werden soll, dass es den Schutzumfang der angehängten Ansprüche einschränkt.
  • Die Schwellenwertspannung, üblicherweise als Vth abgekürzt, eines Feldeffekttransistors (FET) ist der Wert der Gate-Source-Spannung, bei dem sich die Leitfähigkeitseigenschaften des FET signifikant ändern, entweder im Fall von Anreicherungsvorrichtungen von nicht leitend zu leitend oder im Fall von Verarmungsvorrichtungen von leitend zu nicht leitend mit zunehmender Gate-Source-Spannung. Die Schwellenwertspannung wird auch als Pinch-Off-Spannung bezeichnet. Für Anreicherungsvorrichtungen wird ein Inversionskanal in dem Kanalgebiet des Bodygebiets neben dem dielektrischen Gebiet oder der dielektrischen Schicht ausgebildet, wenn die Spannung zwischen der Gateelektrode und dem Sourcegebiet über der Schwellenwertspannung Vth liegt. Bei der Schwellenwertspannung beginnt das Kanalgebiet, das in dem Bodygebiet ausgebildet ist, eine ohmsche Verbindung zwischen den Source- und Drainkontakten des Transistors auszubilden. Unterhalb von dieser Schwellenwertspannung ist der FET nicht leitend. Die Schwellenwertspannung Vth betrifft daher oftmals die minimale Gatespannung, die für das Einsetzen eines unipolaren Stromflusses zwischen den zwei Halbleitergebieten des ersten Leitfähigkeitstyps, die die Source oder den Drift oder Drain einer Transistorstruktur ausbilden, notwendig ist.
  • In dieser Patentschrift wird in Erwägung gezogen, dass eine zweite Oberfläche eines Halbleitersubstrats durch die niedrigere oder rückseitige Oberfläche ausgebildet wird, während eine erste Oberfläche durch die obere, vordere oder Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet wird. Die Begriffe „über“ und „unter“ wie in dieser Patentschrift verwendet beschreiben daher eine relative Position eines Strukturmerkmals zu einem anderen Strukturmerkmal unter Berücksichtigung dieser Orientierung.
  • Im Kontext der vorliegenden Patentschrift soll der Begriff „MOS“ (Metall-Oxid-Halbleiter) so verstanden werden, dass er den allgemeineren Begriff „MIS“ (Metall-Isolator-Halbleiter) einschließt. Beispielsweise soll der Begriff MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) so verstanden werden, dass er auch FETs einschließt, die einen Gate-Isolator umfassen, der kein Oxid ist, d.h. der Begriff MOSFET wird in der allgemeineren Begriffsbedeutung von IGFET (Isolierschicht-Feldeffekttransistor) beziehungsweise MISFET (Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet. Der Begriff „Metall“ für das Gate-Material des MOSFET soll so verstanden werden, dass er elektrisch leitfähige Materialien wie etwa Metall, Legierungen, dotierte polykristalline Halbleiter und Metallhalbleiterverbindungen wie etwa Metallsilicide umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Feldeffektgesteuerte Schaltvorrichtungen wie etwa Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) wurden für verschiedene Anwendungen verwendet, einschließlich die Verwendung als Schalter in Leistungsversorgungen und Leistungswandlern, elektrischen Autos, Klimatisierungsvorrichtungen und sogar Stereosystemen. Insbesondere in Bezug auf Leistungsvorrichtungen, die in der Lage sind, große Ströme zu schalten und/oder bei höheren Spannungen zu arbeiten, ist oft ein geringer Widerstand im leitenden Durchlasszustand erwünscht. Das bedeutet z.B., dass für einen bestimmten Strom, der geschaltet werden soll, der Spannungsabfall am eingeschalteten FET, z.B. die Source-Drain-Spannung, niedrig sein soll. Andererseits müssen die Verluste, die während dem Abschalten oder dem Kommutieren des FET auftreten, oftmals ebenfalls gering gehalten werden, um Gesamtverluste zu minimieren.
  • Der Begriff „Halbleiterleistungsschalter“ wie in dieser Patentschrift verwendet sieht vor, eine Halbleitervorrichtung auf einem einzelnen Chip mit Hochspannungs- und/oder Hochstromschaltfähigkeiten zu beschreiben. In anderen Worten sind Leistungshalbleitervorrichtungen für hohen Strom typischerweise im Ampere-Bereich vorgesehen. In dieser Patentschrift werden die Begriffe „Halbleiterleistungsschalter“, „Halbleiterschaltvorrichtung“ und „Leistungshalbleitervorrichtung“ synonym verwendet.
  • Im Kontext der vorliegenden Patentschrift ist der Begriff „aktives Zellgebiet“ oder „aktive Fläche“ vorgesehen, ein Gebiet eines Halbleitersubstrats der Halbleiterschaltvorrichtung zu beschreiben, wo schaltbare Zellen angeordnet sind, die den Laststrom leiten. Die schaltbaren Zellen in der aktiven Fläche definieren das Schaltverhalten der Halbleiterschaltvorrichtung. Im Speziellen kann eine aktive Fläche zumindest ein Haupt- oder erstes schaltbares Gebiet und ein zweites schaltbares Gebiet umfassen, gegebenenfalls mehr als zwei unterschiedliche schaltbare Gebiete. Schaltbare Zellen in unterschiedlichen schaltbaren Gebieten können sich voneinander in zumindest einer physikalischen Eigenschaft wie etwa der Gate-Drain-Kapazität oder der Schwellenwertspannung unterscheiden. Die unterschiedlichen schaltbaren Gebiete der aktiven Fläche werden auch als „Teilgebiete“ der aktiven Fläche bezeichnet und beschreiben Gebiete, die schaltbare Zellen oder Teile von schaltbaren Zellen mit physikalischen Eigenschaften, die sich von den physikalischen Eigenschaften von schaltbaren Zellen anderer Teilgebiete unterscheiden, aufweisen. Insbesondere können unterschiedliche Teilgebiete mit unterschiedlichen Schwellenwertspannungen erzeugt werden, sodass die Schwellenwertspannung einer einzelnen Zelle oder einer Gruppe an einzelnen Zellen eines spezifischen Teilgebiets sich von der Schwellenwertspannung einer einzelnen Zelle oder einer Gruppe an einzelnen Zellen eines anderen spezifischen Teilgebiets unterscheidet.
  • Im Kontext der vorliegenden Patentschrift sieht der Begriff „Zellteilung“ oder „Längsteilung“ vor, die Teilung der schaltbaren Zellen in der aktiven Fläche zu beschreiben.
  • Im Kontext der vorliegenden Patentschrift sieht der Begriff „Gateelektrodenstruktur“ vor, eine Leiterstruktur zu beschreiben, die neben dem Halbleitersubstrat angeordnet ist und durch ein dielektrisches Gebiet oder eine dielektrische Schicht von diesem isoliert ist. Die Gateelektrodenstruktur bedeckt, wenn sie auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats gesehen wird, unterschiedliche Gebiete der Halbleitervorrichtung wie etwa Bodygebiete und Driftgebiete. Die Gateelektrodenstruktur umfasst die Gateelektroden der schaltbaren Zellen neben den Bodygebieten und auch elektrische Verbindungen zwischen benachbarten Gateelektroden, die elektrisch miteinander verbunden sind. Die Gateelektroden sind konfiguriert, um die Leitfähigkeit eines Kanalgebiets in dem Bodygebiet auszubilden und/oder zu steuern, beispielsweise durch die elektrofeldvermittelte Ausbildung eines „Inversionskanals“ in den Bodygebieten zwischen den jeweiligen Sourcegebieten und Driftgebieten der schaltbaren Zellen. Bei der Ausbildung eines Inversionskanals wird der Leitfähigkeitstyp des Kanalgebiets typischerweise verändert, d.h. umgepolt, um einen unipolaren Strompfad zwischen dem Source- und dem Draingebiet auszubilden. Die Gateelektrodenstruktur wird oft zweckdienlich als Gate-Polysilicium bezeichnet.
  • Beispiele von dielektrischen Materialien zum Ausbilden eines dielektrischen Gebiets oder einer dielektrischen Schicht zwischen der Gateelektrode und dem Bodygebiet umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Siliciumoxid (SiO2), Siliciumnitrid (Si3N4), Siliciumoxinitrid (SiOxNy), Zirconiumoxid (ZrO2), Tantaloxid (Ta2O5), Titanoxid (TiO2) und Hafniumoxid (HfO2) und Kombinationen davon, die Stapel an unterschiedlichen Isolierungsmaterialien umfassen.
  • Die Begriffe „elektrische Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben eine ohmsche Verbindung zwischen zwei Elementen.
  • Im Kontext der vorliegenden Patentschrift sieht der Begriff „Gate-Signal-Emitter“ vor, eine Elektrodenkonfiguration zu beschreiben, die Transfer von externen Schaltsignalen zur Gateelektrodenstruktur der schaltbaren Zellen bereitstellt. In dieser Patentschrift werden die Begriffe „Gatemetallisierung“ und „Gate-Signal-Emitter“ synonym verwendet. Typischerweise wird die Gatemetallisierung auf der Gateelektrodenstruktur ausgebildet, um die Verteilung des Schaltsignals zu verbessern. Beispielsweise wird die Gateelektrodenstruktur durch Polysilicium ausgebildet und kann eine netzartige Struktur aufweisen, die die aktive Fläche bedeckt, während die Gatemetallisierung auf und in ohmschem Kontakt mit der Gateelektrodenstruktur in der Peripherie der Halbleitervorrichtung, zum Beispiel im Randabschlussbereich, ausgebildet wird. Die Gatemetallisierung kann zum Beispiel einen Gate-Ring oder einen Gate-Ring und Gate-Finger umfassen, die sich vom Gate-Ring in die aktive Fläche erstrecken. Die netzartige Struktur der Gateelektrodenstruktur umfasst Öffnungen für Source-Stecker oder Source-Kontakte. Gate-Signal-Emitter weisen typischerweise einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die Gateelektrodenstruktur auf. Beispielsweise können Gate-Signal-Emitter aus einem leitfähigeren Material als die Gateelektrodenstruktur gemacht sein und/oder können dicker als die Gateelektrodenstruktur gemacht sein, um den Widerstand zu verringern.
  • In dieser Patentschrift wird n-dotiert als erster Leitfähigkeitstyp bezeichnet, während p-dotiert als zweiter Leitfähigkeitstyp bezeichnet wird. Alternativ dazu können die Halbleitervorrichtungen mit entgegengesetzten Dotierungsbeziehungen ausgebildet sein, sodass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann. Außerdem veranschaulichen einige Figuren relative Dotierungskonzentrationen durch Anzeigen von „–“ oder „+“ neben dem Dotierungstyp. Beispielsweise bedeutet „n–“ eine Dotierungskonzentration, die weniger als die Dotierungskonzentration eines „n“-Dotierungsgebiets ist, während ein „n+“-Dotierungsgebiet eine größere Dotierungskonzentration als das „n“-Dotierungsgebiet aufweist. Das Anzeigen der relativen Dotierungskonzentration bedeutet jedoch nicht, dass Dotierungsgebiete der gleichen relativen Dotierungskonzentration die gleiche absolute Dotierungskonzentration aufweisen müssen, wenn es nicht anders angemerkt ist. Beispielsweise können zwei unterschiedliche n+-Dotierungsgebiete unterschiedliche absolute Dotierungskonzentrationen aufweisen. Das gleiche gilt für beispielsweise ein n+-Dotierungsgebiet und ein p+-Dotierungsgebiet.
  • Eine Ausführungsform ist als nächstes in Bezug auf 1 beschrieben. In Bezug auf 1 ist eine Leistungsvorrichtung 100 beschrieben, die eine Vielzahl an schaltbaren Zellen 101 aufweist, die in einem Halbleitersubstrat 301 bereitgestellt sind. Die Vielzahl an schaltbaren Zellen 101 definiert eine aktive Fläche der Leistungsvorrichtung 100.
  • Das Halbleitersubstrat 301 weist eine erste, obere Seite 310 und eine zweite, untere Seite 309 auf. Auf der ersten Seite 310 ist ein Emittergebiet ausgebildet, das in elektrischem Kontakt mit einer Emittermetallisierung ist. Auf der zweiten Seite 309 ist ein Kollektorgebiet 307 ausgebildet, das in elektrischem Kontakt mit einer Kollektormetallisierung 308 ist. Eine Gateelektrodenstruktur 315 kann auf der ersten Seite 310 ausgebildet sein. Die Gateelektrodenstruktur 315 umfasst vorzugsweise eine Gateelektrode 315a und eine Gate-Grabenstruktur 315b, die sich in das Halbleitersubstrat 301 erstreckt. Eine Gate-Isolierschicht 315c kann zwischen der Gate-Grabenstruktur 315b und dem Halbleitersubstrat 301 zur elektrischen Isolierung bereitgestellt sein. Ein Bodygebiet 312 kann an der ersten Seite 310 bereitgestellt sein und sich in das Halbleitersubstrat 301 erstrecken. Ein erster pn-Übergang 314 kann zwischen dem Bodygebiet 312 und einem Driftgebiet 306 ausgebildet sein. Ein zweiter pn-Übergang 316 kann zwischen dem Driftgebiet 306 und dem Kollektorgebiet 307 ausgebildet sein. In typischen Ausführungsformen kann eine Pufferschicht 311, die den gleichen Halbleitungsladungsträgertyp wie das Driftgebiet 306 aufweist, zwischen dem Driftgebiet 306 und dem Kollektorgebiet 307 eingeschaltet sein.
  • Wenn eine Gate-Spannung Vg, die höher als eine Schwellenwertspannung Vth ist, auf die Gateelektrodenstruktur 315 angelegt wird, fließt ein Kollektorstrom Ic oder ein Kollektor-Emitter-Strom Ice zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung 308. Im Allgemeinen wird die Beziehung zwischen Ausgang und Eingang eines elektronischen Systems als Übertragungskennlinie bezeichnet. Im Fall der Leistungsvorrichtung wird die Abhängigkeit des Kollektorstroms Ic von der Gate-Spannung üblicherweise als die Übertragungskennlinie der Leistungsvorrichtung bezeichnet. In typischen Ausführungsformen wird ein Kollektorstrom Ic auf die Leistungsvorrichtung angelegt, was zu einer jeweiligen Kollektor-Emitter-Spannung Vce für eine bestimmte Gate-Spannung Vg führt.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die aktive Fläche der Leistungsvorrichtung 100 zumindest ein erstes schaltbares Gebiet und zumindest ein zweites schaltbares Gebiet, das sich von dem ersten schaltbaren Gebiet unterscheidet. Sowohl das erste als auch das zweite schaltbare Gebiet umfasst zumindest einen Teil von einer oder mehreren der schaltbaren Zellen. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weisen das erste und zweite schaltbare Gebiet unterschiedliche Übertragungskennlinien auf. Das erste schaltbare Gebiet und das zweite schaltbare Gebiet unterscheiden sich vorzugsweise durch ihre jeweilige Schwellenwertspannung.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist das erste schaltbare Gebiet einen ersten Schwellenwert Vth,1 auf, der einen Vorrichtungsschwellenwert definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung in der Lage ist, einen Strom (z.B. Nennstrom oder Nominalstrom) zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung zu leiten. Vorzugsweise liegt der erste Schwellenwert Vth,1 im Bereich von 5 bis 10 V, spezifisch im Bereich von 6 bis 8 V. In typischen Ausführungsformen kann vom ersten Schwellenwert Vth,1 ein erster Sättigungsstromwert definiert werden, bei dem die Leistungsvorrichtung den Strom durch Kanalabschnürung begrenzen kann (typ. 3–6-mal der Nominalstrom).
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist das zweite schaltbare Gebiet einen zweiten Schwellenwert Vth,2 auf, der einen Stoßschwellenwert der Leistungsvorrichtung definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung betreibbar wird, um einen Stoßstrom zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung zu leiten, worin der Stoßstrom der Leistungsvorrichtung zumindest fünf Mal so groß wie der Nennstrom der Leistungsvorrichtung ist. Vorzugsweise liegt der zweite Schwellenwert Vth,2 im Bereich von 15 bis 25 V, spezifisch im Bereich von 18 bis 22 V. In typischen Ausführungsformen kann vom zweiten Schwellenwert Vth,2 ein zweiter Sättigungsstromwert definiert werden, bei dem der IGBT den Strom durch Kanalabschnürung begrenzen kann (z.B. der 20fache Nominalstrom oder höher, spezifisch zumindest der 25fache Nominalstrom).
  • Die Leistungsvorrichtung 100 kann aus einem beliebigen Halbleitermaterial gemacht sein, das zur Herstellung von Halbleiterkomponenten geeignet ist. Beispiele solcher Materialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, elementare Halbleitermaterialien wie etwa Silicium (Si), Gruppe-IV-Verbindungshalbleitermaterialien wie etwa Siliciumcarbid (SiC) oder Siliciumgermanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre III-V-Halbleitermaterialien wie etwa Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Galliumnitrid (GaN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) Indiumgalliumphosphid (InGaPa) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP) und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien wie etwa Cadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilbercadmiumtellurid (HgCdTe), um nur einige zu nennen. Die oben erwähnten Halbleitermaterialien werden auch als Homoübergangshalbleitermaterialien bezeichnet. Wenn zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien kombiniert werden, wird ein Heteroübergangshalbleitermaterial ausgebildet. Beispiele von Heteroübergangshalbleitermaterialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Silicium(SixC1-x)- und SiGe-Heteroübergangshalbleitermaterial. Für Leistungshalbleiteranwendungen werden momentan hauptsächlich Si-, SiC- und GaN-Materialien verwendet.
  • 2 zeigt Übertragungskennlinien der Leistungsvorrichtung 100. Die Übertragungskennlinien von 2 zeigt einen Sättigungsstrom Isat des Kollektorstroms Iv der Leistungsvorrichtung bei unterschiedlichen Gate-Spannungen Vg.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, bleibt der Sättigungsstrom Isat bei einem Kriechstromwert konstant, bis die Gate-Spannung Vg den ersten Schwellenwert Vth,1 erreicht. Vom ersten Schwellenwert Vth,1 weg steigt der Sättigungsstrom Isat mit steigender Gate-Spannung Vg. Beispielsweise steigt der Sättigungsstrom Isat mit einer ersten Steigung m1 oder einem ersten Gradienten m1. Wenn die Gate-Spannung Vg den zweiten Schwellenwert Vth,2 erreicht, steigt der Sättigungsstrom Isat mit einer zweiten Steigung m2 oder einem zweiten Gradienten m2. Vorzugsweise ist die zweite Steigung m2 größer als die erste Steigung m1, d.h. m2 > m1. Spezifisch werden die Übertragungskennlinien der Leistungsvorrichtung 100 für Gate-Spannungen Vg zwischen dem ersten Schwellenwert Vth,1 und dem zweiten Schwellenwert Vth,2 durch das erste schaltbare Gebiet bestimmt, spezifisch durch die Übertragungskennlinie der schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets. Die Übertragungskennlinien der Leistungsvorrichtung 100 für Gate-Spannungen Vg über dem zweiten Schwellenwert Vth,2 können durch das erste schaltbare Gebiet und das zweite schaltbare Gebiet bestimmt werden, spezifisch durch die Übertragungskennlinie der schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiet und des zweiten schaltbaren Gebiets. Vorzugsweise ist die zweite Steigung m2 einige Male höher als die erste Steigung m1, z.B. zumindest fünfmal so hoch wie die erste Steigung m1, wobei die Übertragungskennlinien über dem zweiten Schwellenwert Vth,2 durch das zweite schaltbare Gebiet dominiert werden können, spezifisch durch die Übertragungskennlinie der schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist eine Steigung oder eine Transkonduktanz der Übertragungskennlinien der schaltbaren Zellen, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, höher als eine Steigung der Übertragungskennlinien der schaltbaren Zellen, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind. Spezifisch kann die Transkonduktanz proportional zum Kollektorstrom Ic sein.
  • In 2 stellt die gestrichelte Linie die Übertragungskennlinien der Leistungsvorrichtung im Fall, dass die Gate-Spannung Vg nicht zum oder über den zweiten Schwellenwert Vth,2 erhöht wird, dar. In diesem Fall ist die Übertragungskennlinie der Leistungsvorrichtung 100 auf die erste Steigung m1 angewiesen. Demgemäß wird die Übertragungskennlinie der Leistungsvorrichtung durch die Übertragungskennlinie des ersten schaltbaren Gebiets bereitgestellt. Das heißt, dass in diesem Fall die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets nicht betriebsfähig gemacht werden.
  • Vorzugsweise ist der Nennstrom der Leistungsvorrichtung im Fall, dass die Gate-Spannung Vg zwischen dem ersten Schwellenwert Vth,1 und dem zweiten Schwellenwert Vth,2 liegt, der Strom, der zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung in dem ersten schaltbaren Gebiet fließt. Ferner ist im Fall, dass die Gate-Spannung Vg höher als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, der Stoßstrom der Leistungsvorrichtung der Strom, der zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung in dem ersten schaltbaren Gebiet und dem zweiten schaltbaren Gebiet fließt. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird der Stoßstrom oder die Stoßstromkapazität der Leistungsvorrichtung durch den Strom bestimmt, der zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung in dem zweiten schaltbaren Gebiet fließt. In diesem Fall kann der Strom, der zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung in dem zweiten schaltbaren Gebiet fließt, einige Mal höher sein, spezifisch zumindest fünfmal höher, als der Strom, der zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung in dem ersten schaltbaren Gebiet fließt. Es ist jedoch nicht vorgesehen, dass die Vorrichtung Isat bei normalem Betrieb aufgrund von hohen Verlusten leitet/erreicht. Im Leistungsvorrichtungskurzschlussmodus kann die Leistungsvorrichtung Isat in Kombination mit hohen Vce-Spannungen einige Mikrosekunden lang leiten.
  • Im Kontext der vorliegenden Offenbarung kann Stoßstromkapazität die Fähigkeit der Leistungsvorrichtung sein, einen Strom zu leiten, der beträchtlich höher als der Nominalstrom ist, z.B. 20-mal so hoch wie der Nominalstrom, ohne den Sättigungsstrom Isat zu erreichen, der in den Übertragungskennlinien von 2 gezeigt ist. Spezifisch würden hohe Verluste aufgrund von einer hohen Kollektor-Emitter-Spannung auftreten, wenn der Stoßstrom sich diesem Wert nähern würde. Es ist daher eine steile zweite Steigung m2 vorgesehen.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist das zweite schaltbare Gebiet einen zweiten Schwellenwert auf, der zumindest zweimal so hoch wie der erste Schwellenwert ist und der einen Stoßschwellenwert der Leistungsvorrichtung definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung betreibbar wird, um einen Stoßstrom zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung ohne Vce-Entsättigung, d.h., ohne Isat zu erreichen, zu leiten, worin der Stoßstrom der Leistungsvorrichtung zumindest fünfmal so groß wie der Nennstrom der Leistungsvorrichtung ist, und worin das erste schaltbare Gebiet einen ersten Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats umfasst, das zweite schaltbare Gebiet einen zweiten Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats umfasst, wobei der zweite Oberflächenbereich größer als der erste Oberflächenbereich ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist das zweite schaltbare Gebiet einen zweiten Schwellenwert auf, der zumindest zweimal so hoch wie der ersten Schwellenwert ist und der einen Stoßschwellenwert der Leistungsvorrichtung definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung betreibbar wird, um einen Stoßstrom zu leiten. Spezifisch können Leitungsverluste im Fall eines Überstromereignisses in dem zweiten schaltbaren Gebiet kleiner als im ersten schaltbaren Gebiet sein. Ferner kann das zweite schaltbare Gebiet im Fall eines Überstromereignisses später entsättigen (oder einen Kanal-Pinch-Off zeigen) als das erste schaltbare Gebiet.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist das zweite schaltbare Gebiet einen zweiten Schwellenwert auf, der zumindest zweimal so hoch wie der erste Schwellenwert ist und der einen Stoßschwellenwert der Leistungsvorrichtung definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung betreibbar wird, um einen Stoßstrom zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung zu leiten, und worin eine Steigung der Übertragungskennlinien (Transkonduktanz) der schaltbaren Zellen, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, höher als eine Steigung der Übertragungskennlinien der schaltbaren Zellen, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, ist.
  • Im Kontext der vorliegenden Patentschrift kann eine Steigung berechnet werden, indem das Verhältnis der „vertikalen Veränderung“ zur „horizontalen Veränderung“ zwischen (beliebigen) zwei unterschiedlichen Punkten auf einer Geraden gefunden wird. Manchmal wird das Verhältnis als ein Quotient („Erhöhung über Verlauf“) ausgedrückt, wobei alle zwei unterschiedlichen Punkte auf derselben Gerade die gleiche Nummer erhalten. Als Verallgemeinerung dieser praktischen Beschreibung definiert die Mathematik von Differentialrechnung die Steigung einer Kurve an einem Punkt als die Steigung der Tangente an diesem Punkt. Wenn die Kurve durch eine Reihe an Punkten in einem Diagramm oder in einer Liste der Punktkoordinaten angegeben ist, kann die Steigung nicht an einem Punkt, sondern zwischen zwei beliebigen bestimmten Punkten berechnet werden. Wenn die Kurve als eine stetige Funktion, vielleicht als eine algebraische Funktion, angegeben ist, dann stellt die Differentialrechnung Regeln bereit, die eine Formel für die Steigung der Kurve an einem beliebigen Punkt in der Mitte der Kurve angeben.
  • Während normalem Betrieb der Leistungsvorrichtung 100 liegt die Gate-Spannung Vg im Bereich zwischen dem ersten Schwellenwert Vth,1 und dem zweiten Schwellenwert Vth,2. In diesem Fall kann die Gate-Spannung Vg 15 V betragen. Demgemäß wird der Nennstrom zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung geleitet. Das heißt, nur das erste schaltbare Gebiet wird betrieben. Ferner kann der zweite Schwellenwert Vth,2 so bereitgestellt sein, dass auch für eine Überspannung von z.B. 18 V der Gate-Spannung Vg der zweite Schwellenwert Vth,2 nicht erreicht wird. Die Überspannung kann im Fall eines Kurzschlusses aufgrund von induktiver oder kapazitiver Ladung auftreten (z.B. durch Miller-Kapazitäten aufgrund einer schnellen Spannungsänderung). Dadurch kann sichergestellt werden, dass das zweite schaltbare Gebiet im Fall eines Zwischenkurzschlusses der Leistungsvorrichtung nicht leitfähig gemacht wird. Ferner kann die Kurzschlussstärke der Leistungsvorrichtung 100 für Zwischenkurzschlüsse sichergestellt werden (z.B. niedrige induktive DC-Verbindungskurzschlussereignisse).
  • Während Stoßstrombetrieb der Leistungsvorrichtung 100 liegt die Gate-Spannung Vg bei oder über dem zweiten Schwellenwert Vth,2. In diesem Fall kann die Gate-Spannung Vg 20 bis 25 V betragen. Demgemäß wird der Stoßstrom zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung geleitet. Das heißt, der Stoßstrom ist die Summe des Stroms, der durch das erste schaltbare Gebiet und das zweite schaltbare Gebiet geleitet wird. Da die Stromleitfähigkeit (oder in anderen Worten, der Sättigungsstrom Isat) in dem zweiten schaltbaren Gebiet viel höher als im ersten schaltbaren Gebiet ist, wird das meiste des Stoßstroms durch das zweite schaltbare Gebiet geleitet. In diesem Kontext kann Stromleitfähigkeit bedeuten, dass ein hoher Strom geleitet wird, ohne den Isat-Wert der Leistungsvorrichtung zu erreichen, und dass die Verluste (bzw. Vce,sat) niedrig gehalten werden. Beispielsweise kann ein Stoßstrom von etwa 700 A durch die Leistungsvorrichtung mit einer Gate-Spannung Vg von etwa 25 V geleitet werden, während der Nennstrom bei der gleichen Gate-Spannung 50 A betragen kann.
  • Spezifisch ermöglicht ein zweiter Schwellenwert Vth,2 von 20 V bis 25 V die Verwendung von herkömmlichen Gate-Spannungstreibern, wie üblicherweise konzipiert sind, um eine Spannung von bis zu 20 V oder 25 V bereitzustellen. Durch die Verwendung eines zweiten Schwellenwerts Vth,2 von 20 V oder 25 V, d.h., eines zweiten Schwellenwerts Vth,2, der nur einige Volt höher als die Gate-Spannung für normalen Betrieb ist, kann ferner die Gate-Isolierschicht 315c der schaltbaren Zellen 101a in dem ersten schaltbaren Gebiet aufgrund einer Belastung der schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets mit einer Gate-Überspannung nicht beschädigt werden, wobei die Lebensdauer der Leistungsvorrichtung verbessert werden kann.
  • Die 3A bis 3G veranschaulichen eine Funktion der Leistungsvorrichtung.
  • 3A veranschaulicht eine Ausgangskennlinie der Leistungsvorrichtung, spezifisch den Sättigungsstrom Isat des Kollektorstroms Ic der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, und/oder der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet der Leistungsvorrichtung 100 angeordnet sind, als eine Funktion der Kollektor-Emitter-Spannung Vce und der Gate-Spannung Vg. Spezifisch entwickelt sich für einen angelegten Kollektorstrom Ic eine jeweilige Kollektor-Emitter-Spannung Vce in der Leistungsvorrichtung. Wie aus 3A ersichtlich ist, nimmt der Kollektorstrom Ic im Wesentlichen von einer ersten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,1 zu einer zweiten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 zu. Für eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce, die größer als die zweite Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 ist, saturiert der Kollektorstrom zu einem Sättigungsstrom Isat. Spezifisch kann der Sättigungsstrom Isat einen konstanten Wert für eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce, die größer als die zweite Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 ist, aufweisen, kann sich aber wieder für Kollektor-Emitter-Spannungen Vce erhöhen, die die zweite Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 deutlich übersteigen. Wie ferner aus 3A ersichtlich ist, kann der Nennstrom der Strom sein, der bei einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce knapp über der ersten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,1 leitfähig sein kann, d.h., der Nennstrom kann der Strom sein, der bei einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce, die näher bei der ersten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,1 als bei der zweiten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 ist, leitfähig ist. Dieser Strom kann als Nominalstrom bezeichnet werden. Wie in 3A gezeigt kann der Sättigungsstrom Isat viermal so groß wie der Nominalstrom sein.
  • Ferner hängt der Wert des Kollektorstroms Ic, der zu einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce zwischen der ersten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,1 und der zweiten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 führt, und der Wert des Sättigungsstroms Isat von der Gate-Spannung Vg ab, die auf das Gate oder die Gateelektrodenstruktur 315 der Leistungsvorrichtung 100 angelegt wird. Vorzugsweise nimmt der Wert des Kollektorstroms Ic, der zu einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce zwischen der ersten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,1 und der zweiten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 führt, und der Wert des Sättigungsstroms Isat mit einer zunehmenden Gate-Spannung Vg zu. Herkömmliche Leistungsvorrichtungen sind jedoch für einen spezifischen Bereich an Gate-Spannungen konzipiert, die angelegt werden können. Bei einer Gate-Spannung, die die Konzeptionsgrenze überschreitet, kann die Gate-Isolierungsschicht beschädigt werden. Daher ist das Erhöhen der Gate-Spannung kein machbarer Ansatz zum Erhöhen des Stroms, der durch die Leistungsvorrichtung geleitet werden kann.
  • Demgemäß umfasst die Leistungsvorrichtung 100 die schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, zusätzlich zu den schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind. Wie aus 3B ersichtlich ist, werden die schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, leitfähig, um einen Nennstrom kontinuierlich zu leiten, wenn eine Gate-Spannung Vg, die größer als der erste Schwellenwert Vth,1 ist, angelegt wird, während die schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, leitfähig werden, um einen Stoßstrom zu leiten, wenn eine Gate-Spannung Vg, die größer als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, angelegt wird. Spezifisch ist eine Transkonduktanz der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, größer als eine Transkonduktanz der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind.
  • Das heißt, die Leistungsvorrichtung 101a weist drei Betriebsmodi wie in 3C veranschaulicht auf, d.h., einen Nominalstrommodus, einen Sättigungsstrommodus und einen Stoßstrommodus, abhängig von der angelegten Gate-Spannung Vg und dem Kollektorstrom Ic. Im Nominalstrommodus wird eine Gate-Spannung Vg zwischen dem ersten Schwellenwert Vth,1 und der zweiten Schwellenwertspannung Vth,2 angelegt, und es wird ein Kollektorstrom Ic, der zu einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce zwischen der ersten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,1 und der zweiten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 führt, angelegt. Das heißt, die Leistungsvorrichtung 100 ist in der Lage, einen Nominalstrom oder einen Nennstrom zu leiten. Im Sättigungsstrommodus wird eine Gate-Spannung Vg zwischen dem ersten Schwellenwert Vth,1 und der zweiten Schwellenwertspannung Vth,2 angelegt, und es wird ein Kollektorstrom Ic angelegt, der zu einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce führt, die höher als die zweite Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 ist. Das heißt, die Leistungsvorrichtung 100 ist in der Lage, einen Sättigungsstrom Isat zu leiten, der größer als der Nominalstrom ist, aber spezifisch niedrig genug ist, um eine passende Kurzschlussrobustheit der Vorrichtung sicherzustellen, indem die in einem Kurzschluss im Wesentlichen über die spezifizierte Kurzschlusszeit abgegebene Leistung unter eine kritische Zerstörungsenergie der Vorrichtung begrenzt wird. Der Sättigungsstrom kann so durch die Leistungsvorrichtung selbst durch Kanal-Pinch-Off begrenzt werden. Diese Leistungsvorrichtungseigenschaft kann verwendet werden, um niedriginduktive Kurzschlussereignisse (z.B. DC-Verbindungskurzschlüsse) zu überstehen und die auftretenden Ströme einige Mikrosekunden lang zu begrenzen. Im Stoßstrommodus wird eine Gate-Spannung Vg, die höher als die zweite Schwellenwertspannung Vth,2 ist, angelegt, und es wird ein Kollektorstrom Ic angelegt, der zu einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce zwischen der ersten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,1 und der zweiten Kollektor-Emitter-Spannung Vce,2 führt. Das heißt, die Leistungsvorrichtung 100 ist in der Lage, einen Stoßstrom zu leiten, der höher als der Sättigungsstrom Isat der schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets ist.
  • Die 3D bis 3H veranschaulichen den Betrieb der Leistungsvorrichtung für eine zunehmende Gate-Spannung Vg.
  • Wie in 3D gezeigt, wird für eine auf die Leistungsvorrichtung 100 angelegte Gate-Spannung Vg, die niedriger als der erste Schwellenwert Vth,1 ist, im Wesentlichen kein Kollektorstrom Ic durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets und die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet.
  • Wie in 3E gezeigt, wird für eine Gate-Spannung Vg, die größer als der erste Schwellenwert Vth,1, aber kleiner als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, ein Kollektorstrom Ic durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets, jedoch kein Kollektorstrom Ic durch die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet. Das heißt, die Leistungsvorrichtung 100 ist betreibbar, um den Nennstrom zu leiten.
  • Wie in 3F gezeigt beginnt für eine Gate-Spannung Vg, die leicht über dem zweiten Schwellenwert Vth,2 ist, ein Kollektorstrom Ic, durch die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet zu werden. Spezifisch kann der Kollektorstrom Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet wird, für eine Gate-Spannung, die knapp über dem zweiten Schwellenwert Vth,2 liegt, kleiner als der Kollektorstrom Ic sein, der durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets geleitet wird. Aufgrund der zunehmenden Gate-Spannung Vg im Vergleich zum in 3E dargestellten Fall kann ferner der Kollektorstrom Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets geleitet wird, größer sein als jener, der im in 3E dargestellten Fall geleitet wird. Um jedoch die Gate-Spannung Vg weiter zu erhöhen, kann die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets und die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet wird, unterschiedlich sein.
  • Spezifisch kann wie in 3G gezeigt für eine Gate-Spannung Vg, die größer als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, ein Kollektorstrom Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet wird, größer sein als der Kollektorstrom Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets geleitet wird. Spezifisch kann für eine Gate-Spannung Vg, die den zweiten Schwellenwert Vth,2 übersteigt, der Kollektorstrom Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet wird, einige Male höher sein als der Kollektorstrom Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets geleitet wird. Das heißt, die Leistungsvorrichtung ist betreibbar, um den Stoßstrom zu leiten, der zumindest fünfmal, spezifisch zehnmal, vorzugsweise 10- bis 20-mal so groß wie der Nennstrom ist.
  • Demgemäß kann der Nennstrom für eine Gate-Spannung Vg, die größer als der erste Schwellenwert Vth,1, aber kleiner als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, dem Kollektorstrom Ic entsprechen, der durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets geleitet wird, während der Stoßstrom für eine Gate-Spannung Vg, die größer als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, dem Kollektorstrom Ic entsprechen kann, der durch die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets und die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet wird. Für Gate-Spannungen Vg, die den zweiten Schwellenwert Vth,2 z.B. um wenige Volt übersteigen, kann der Stoßstrom durch den Kollektorstrom Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets geleitet wird, dominiert oder hauptsächlich bestimmt werden.
  • Wie in 3H gezeigt ist der Anstieg des Sättigungsstroms Isat der Leistungsvorrichtung 100 je willkürlicher Einheit der Gate-Spannung Vg für Gate-Spannungen Vg über dem zweiten Vorrichtungsschwellenwert Vth,2 höher als für Gate-Spannungen Vg zwischen dem ersten Schwellenwert Vth,1 und dem zweiten Vorrichtungsschwellenwert Vth,2. Das heißt, die Stromleitfähigkeit der Leistungsvorrichtung 100 wird durch die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets für Gate-Spannungen Vg über dem zweiten Vorrichtungsschwellenwert Vth,2 verbessert. Das kann durch eine Steigung (in der Übertragungskennlinie) der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, die höher ist als eine Steigung der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, wie in 3B gezeigt erleichtert werden. In anderen Worten: Eine Transkonduktanz der schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets ist höher als eine Transkonduktanz der schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets. Für jede willkürliche Erhöhung der Gate-Spannung Vg über den zweiten Schwellenwert Vth,2 ist daher die Erhöhung des Kollektorstroms Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, geleitet wird, höher als die Erhöhung des Kollektorstroms Ic, der durch die schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, geleitet wird.
  • 4 zeigt ein Diagramm einer Abhängigkeit der Schwellenwertspannung von einer Dotierungskonzentration des Bodygebiets und/oder einer Dicke der Gate-Isolierschicht. Beispielsweise können die Übertragungskennlinien, die in 4 gezeigt sind, von einer Leistungsvorrichtung wie etwa einem IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode) sein, die für Spannungen von etwa 4,5 kV konzipiert ist.
  • Wie aus 4 ersichtlich ist kann die Schwellenwertspannung einer schaltbaren Zelle 101a, 101b durch Variieren einer Dotierungskonzentration des Bodygebiets 312 und/oder einer Dicke der Gate-Isolierschicht 315c variiert werden. Spezifisch kann der Schwellenwert Vth,1, Vth,2 durch Erhöhen der Dotierungskonzentration des Bodygebiets 312 und/oder durch Erhöhen der Dicke der Gate-Isolierschicht 315c erhöht werden. Beispielsweise kann eine Schwellenwertspannung einer schaltbaren Zelle in dem ersten schaltbaren Gebiet, d.h. der erste Schwellenwert Vth,1, während der Herstellung der Leistungsvorrichtung erhöht werden, sodass die jeweilige schaltbare Zelle eine schaltbare Zelle des zweiten schaltbaren Gebiets wird.
  • Demgemäß ist es möglich, eine Leistungsvorrichtung herzustellen, die ein erstes und ein zweites schaltbares Gebiet auf einem einzigen Chip aufweist. Spezifisch ist es möglich, die Leistungsvorrichtung herzustellen, die das erste und das zweite schaltbare Gebiet aufweist, indem fast die gleichen Verarbeitungsschritte für das erste und das zweite schaltbare Gebiet verwendet werden und manche Verarbeitungsschritte geändert werden. Beispielsweise können zusätzliche Maskierungsschritte eingeführt werden, um eine unterschiedliche Dotandenkonzentration des Bodygebiets 312 für das erste schaltbare Gebiet und das zweite schaltbare Gebiet anzuwenden.
  • Die 5A bis 5D zeigen schaltbare Zellen gemäß Ausführungsformen.
  • Die 5A bis 5D zeigen jeweils auf der linken Seite eine schaltbare Zelle 101a des ersten schaltbaren Gebiets und auf der rechten Seite eine schaltbare Zelle 101b des zweiten schaltbaren Gebiets. In den gezeigten Beispielen sind die schaltbaren Zellen 101a, 101b vom Grabentyp, d.h., es ist eine Grabentyp-Leistungsvorrichtung bereitgestellt. Das gleiche Konzept ist jedoch für planare Leistungsvorrichtungen anwendbar. Die Leistungsvorrichtung 100 kann ferner tote oder inaktive Zellen 101c umfassen, die später näher beschrieben werden. In den 5A bis 5D sind die toten Zellen 101c zwischen der schaltbaren Zelle 101a des ersten schaltbaren Gebiets und der schaltbaren Zelle 101b des zweiten schaltbaren Gebiets bereitgestellt.
  • Gemäß einer in 5A gezeigten Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst jedes Bodygebiet 312 ein p-Bodygebiet 313, das eine höhere Dotierungskonzentration als das Bodygebiet 312 aufweist, worin Teile des p-Bodygebiets 313 der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, eine Dotierungskonzentration aufweisen, die sich von einer Dotierungskonzentration von Teilen der p-Bodygebiete 313 der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, unterscheiden. In einer typischen Ausführungsform kann das p-Bodygebiet 313 zwischen dem Bodygebiet 312 und dem Driftgebiet 306 wie in 5A gezeigt eingeschoben sein oder das Bodygebiet 312 ersetzen oder von dem Driftgebiet 306 durch das Bodygebiet 312 getrennt sein oder innerhalb vom Bodygebiet 312 liegen. Das heißt, im Wesentlichen kann die Dotierungskonzentration des effektiven Bodygebiets der schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets im Vergleich zu den schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets erhöht werden.
  • Vorzugsweise weisen die Teile der p-Bodygebiete 313 der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, eine Dotierungskonzentration auf, die höher ist als eine Dotierungskonzentration der Teile der p-Bodygebiete der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind. Daher kann ein zweiter Schwellenwert Vth,2 des zweiten schaltbaren Gebiets als der erste Schwellenwert Vth,1 des ersten schaltbaren Gebiets erhalten werden. Ferner kann eine Latch-Up-Stabilität der schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets verbessert werden. Ferner kann die Latch-Up-Robustheit der schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets (die mehr n-Sourcezonen bereitstellen können und daher anfälliger für Latch-Up sind) durch die erhöhte p-Bodydotierung verringert werden
  • Gemäß einer in 5B gezeigten Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst jedes Bodygebiet ein Kanalgebiet 317 neben der Gateelektrodenstruktur 315 der schaltbaren Zellen 101a, 101b, worin Teile der Kanalgebiete 317 der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, eine Dotierungskonzentration aufweisen, die sich von einer Dotierungskonzentration von Teilen der Kanalgebiete 317 der schaltbaren Zellen, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, unterscheiden.
  • Vorzugsweise weisen die Teile der Kanalgebiete 317 der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, eine Dotierungskonzentration auf, die höher ist als eine Dotierungskonzentration der Teile der Kanalgebiete 317 der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind. Daher kann ein zweiter Schwellenwert Vth,2 des zweiten schaltbaren Gebiets als der erste Schwellenwert Vth,1 des ersten schaltbaren Gebiets erhalten werden.
  • Gemäß einer in 5C gezeigten Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfassen die schaltbaren Zellen jeweils die Gate-Isolierschicht 315c. Vorzugsweise weist die Gate-Isolierschicht 315c der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, eine Dicke auf, die höher als eine Dicke der Gate-Isolierschicht 315c der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind. Daher kann ein zweiter Schwellenwert Vth,2 des zweiten schaltbaren Gebiets erhalten werden, der höher als der erste Schwellenwert Vth,1 des ersten schaltbaren Gebiets ist.
  • Gemäß einer in 5C gezeigten Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfassen die schaltbaren Zellen 101a, 101b jeweils die Gate-Isolierschicht 315c, wobei die Gate-Isolierschicht 315c der schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, eine dielektrische Konstante aufweist, die sich von einer dielektrischen Konstante der Gate-Isolierschicht 315c der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, unterscheidet. Daher kann ein zweiter Schwellenwert Vth,2 des zweiten schaltbaren Gebiets erhalten werden, der sich von dem ersten Schwellenwert Vth,1 des ersten schaltbaren Gebiets unterscheidet.
  • Gemäß einer in 5D gezeigten Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfassen die schaltbaren Zellen des zweiten schaltbaren Gebiets jeweils die Gateelektrodenstruktur 315. Vorzugsweise weist die Gateelektrodenstruktur 315 der schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets potenzialfreie Gates auf. Daher kann ein zweiter Schwellenwert Vth,2 des zweiten schaltbaren Gebiets abhängig von dem (festen) Ladezustand der potenzialfreien Gate-Strukturen erhalten werden, der sich von dem ersten Schwellenwert Vth,1 des ersten schaltbaren Gebiets unterscheidet.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das erste schaltbare Gebiet einen ersten Oberflächenbereich a1 des Halbleitersubstrats 301, das zweite schaltbare Gebiet umfasst einen zweiten Oberflächenbereich a2 des Halbleitersubstrats 301. In einer herkömmlichen Leistungsvorrichtung, die für Kurzschlussrobustheit und normalen Betrieb konzipiert ist, werden nur etwa 20 % des verfügbaren Oberflächenbereichs durch die schaltbaren Zellen verwendet. Demgemäß ist es möglich, den verbleibenden Oberflächenbereich als das zweite schaltbare Gebiet zu verwendet. Daher kann eine Leistungsvorrichtung erhalten werden, die ein erstes und ein zweites schaltbares Gebiet aufweist, ohne die Gesamtgröße der Leistungsvorrichtung zu erhöhen.
  • Hierin sind das erste und das zweite schaltbare Gebiet nicht als geschlossene oder getrennte Gebiete angedacht. Spezifisch können die schaltbaren Zellen des ersten und des zweiten schaltbaren Gebiets völlig zufällig über den Oberflächenbereich der Leistungsvorrichtung 100 oder gemäß einem festgelegten Verteilungsmuster verteilt werden.
  • Typischerweise sind die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets in Bezug auf Gesamtmenge, räumliche Dichte und Kanalbreite ähnlich wie die schaltbaren Zellen einer herkömmlichen Leistungsvorrichtung. Vorzugsweise ist eine Entfernung zwischen zwei benachbarten schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger der jeweiligen schaltbaren Zellen 101a, 101b. Dadurch kann ein kleiner Spannungsabfall der Leistungsvorrichtungen im normalen Modus erreicht werden.
  • Vorzugsweise ist der zweite Oberflächenbereich a2 größer als der erste Oberflächenbereich a1. Das ist besonders im Fall bevorzugt, dass der leitfähige Strom je schaltbarer Zelle 101a des ersten schaltbaren Gebiets mit dem leitfähigen Strom je schaltbarer Zelle 101b des zweiten schaltbaren Gebiets vergleichbar ist. Demgemäß kann, auch wenn der leitfähige Strom je schaltbarer Zelle 101b des zweiten schaltbaren Gebiets nicht höher ist als jener in dem ersten schaltbaren Gebiet, ein höherer Strom durch die Summe der schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets jenes der Summe der schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets geleitet werden. Demgemäß kann ein Stoßstrom, der höher als der Nennstrom, spezifisch zumindest fünfmal so groß wie der Nennstrom ist, mit vergleichsweise niedrigen Verlusten geleitet werden.
  • Die 6A und 6B veranschaulichen Draufsichten auf eine Leistungsvorrichtung 100. Die schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, und die schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, können zufällig oder willkürlich über die aktive Fläche verteilt werden. Daher können das erste schaltbare Gebiet und das zweite schaltbare Gebiet nicht als in sich geschlossene Bereiche gesehen werden, sondern können als die Summe des Bereichs, der durch die jeweiligen schaltbaren Zellen belegt ist, gesehen werden.
  • Gemäß einer in 6A gezeigten Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die Leistungsvorrichtung 100 ferner einen Randabschluss 610, worin ein relatives Verhältnis der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, zu den schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, in einem Gebiet nahe beim Randabschluss 610 höher ist als ein Verhältnis der schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, zu den schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, die in der aktiven Fläche angeordnet sind. Dabei kann eine verringerte Ladungsträgerdichte in oder nahe beim Randabschluss 610 im normalen Betrieb bereitgestellt werden. Demgemäß kann eine verringerte dynamische Lawine aufgrund des hochdynamischen Robustheitsprinzips erreicht werden, indem die Schaltrobustheit der Leistungsvorrichtung erhöht wird. Im Allgemeinen soll im Stoßstrombetrieb die Leistungsvorrichtung nicht robust schalten. Daher kann die Stromdichte am Randabschluss 610 im Stoßstrommodus erhöht werden. Daher kann eine optimierte Verwendung des Oberflächenbereichs erreicht werden.
  • Gemäß einer in 6B gezeigten Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die Leistungsvorrichtung 100 ferner eine Elementarzelle 620, die aus einer Vielzahl an schaltbaren Zellen 101a, 101b zusammengesetzt ist. Auch wenn sechs schaltbare Zellen 101a, 101b je Elementarzelle 620 in der Ausführungsform von 6B gezeigt sind, kann eine Elementarzelle 620 eine beliebige Anzahl an schaltbaren Zellen 101a, 101b umfassen. Vorzugsweise umfasst die Elementarzelle 620 fünf schaltbare Zellen 101a, 101b. Wie in 6B gezeigt kann das Verhältnis der Anzahl an schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets zur Anzahl an schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets je Elementarzelle 620 variieren.
  • Beispielsweise kann in einem Gebiet, das in der Mitte positioniert ist, d.h., getrennt von dem Randabschluss 610 in den jeweiligen räumlichen Richtungen, die Anzahl an schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets z.B. einige Male höher sein als die Anzahl an schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets je Elementarzelle 620. Ferner kann in einem Gebiet, das nahe beim Randabschluss positioniert ist, die Anzahl an schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets z.B. einige Male niedriger sein als die Anzahl an schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets je Elementarzelle 620. Spezifisch kann eine Elementarzelle 620 in der Mitte eine schaltbare Zelle 101b des zweiten schaltbaren Gebiets umfassen, während die verbleibenden Zellen schaltbare Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets sind. Ferner kann eine Elementarzelle 620 nahe beim Randabschluss 620 eine schaltbare Zelle 101a des ersten schaltbaren Gebiets umfassen, während die verbleibenden Zellen schaltbare Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets sind. Das heißt, die Anzahl an schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets je Elementarzelle 620 nimmt von Elementarzellen 620, die in der Mitte positioniert sind, zu Elementarzellen 620, die nahe bei dem Randabschluss positioniert sind, zu. Dabei können die vorteilhaften Effekte, die in Bezug auf 6A offenbart wurde, erreicht werden, während eine leicht produzierbare und reproduzierbare Anordnung bereitgestellt wird.
  • Ferner kann wie in 6B gezeigt eine Elementarzelle 620 auch tote Zellen 101c umfassen, die weder schaltbare Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets noch schaltbare Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets sind. Das heißt, eine Elementarzelle 620 kann auch tote Zellen 101c umfassen, die nicht zur aktiven Fläche der Leistungsvorrichtung beitragen können. Spezifisch kann die Gesamtmenge der schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets gleichmäßig verteilt werden, d.h., jede Elementarzelle 620 kann die gleiche Anzahl oder Menge an schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets umfassen. Die verbleibenden Zellen können schaltbare Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets oder tote Zellen 101c sein.
  • In der in 6B gezeigten Ausführungsform können alle Elementarzellen 620 eine schaltbare Zelle 101a des ersten schaltbaren Gebiets umfassen, während die verbleibenden Zellen schaltbare Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets oder tote Zellen 101c sein können, die untereinander ausgetauscht werden. Das heißt, eine tote Zelle 101c kann mit einer schaltbaren Zelle 101b des zweiten schaltbaren Gebiets ersetzt werden und umgekehrt, abhängig von der Position der jeweiligen Elementarzelle 620. Spezifisch kann eine Elementarzelle 620, die in der Mitte positioniert ist, eine schaltbare Zelle 101a des ersten schaltbaren Gebiets und tote Zellen 101c umfassen, während eine Elementarzelle 620, die nahe beim Randabschluss 610 positioniert ist, eine schaltbare Zelle 101a des ersten schaltbaren Gebiets und schaltbare Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets umfassen kann. Das heißt, die toten Zellen 101c können iterativ mit schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets von Elementarzellen 620, die in der Mitte positioniert sind, zu Elementarzellen 620, die nahe beim Randabschluss 610 positioniert sind, ersetzt werden.
  • Vorzugsweise sind von der Gesamtmenge an Zellen, d.h. schaltbare Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets, schaltbare Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets und tote Zellen 101c, etwa 10 bis 30 %, spezifisch 15 bis 25 %, vorzugsweise 20 % schaltbare Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets, die homogen verteilt sind. Ferner können von der Gesamtmenge an Zellen etwa 70 bis 90 %, spezifisch 75 bis 85 %, vorzugsweise etwa 80 % schaltbare Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die Leistungsvorrichtung 100 ferner eine Gate-Bus-Struktur in ohmschem Kontakt mit der Gateelektrodenstruktur 315 der schaltbaren Zellen 101a, 101b, worin ein relatives Verhältnis von den schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, zu den schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, in einem Gebiet nahe bei der Gate-Bus-Struktur höher ist als ein mittleres Verhältnis von den schaltbaren Zellen 101b, die in dem zweiten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, zu den schaltbaren Zellen 101a, die in dem ersten schaltbaren Gebiet angeordnet sind, die in der aktiven Fläche angeordnet sind. Dabei kann eine verringerte Ladungsträgerdichte nahe bei oder an der Gate-Bus-Struktur bereitgestellt werden. Demgemäß kann eine verringerte dynamische Lawine aufgrund des hochdynamischen Robustheitsprinzips erreicht werden. So kann eine optimierte Verwendung des Oberflächenbereichs erreicht werden.
  • Beispielsweise kann die Leistungsvorrichtung 100 in einer Fehlerschutzschaltung 700 wie in 7 gezeigt ausgeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die Leistungsvorrichtung 100 mit Eingangsanschlüssen 712, 714 eines Leistungssystems 710 verbindbar sein, um durch die Fehlerschutzschaltung 700 geschützt zu werden. Die Fehlerschutzschaltung 700 kann ferner eine Gate-Treiberschaltung 702 umfassen, um eine Gate-Spannung Vg auf die Leistungsvorrichtung 100 anzulegen. Die Gate-Treiberschaltung 702 kann über einen Widerstand 704 mit der Leistungsvorrichtung 100 verbunden werden. Ein Leistungseingang 706 kann bereitgestellt werden und mit den Eingangsanschlüssen 712, 714 verbunden sein, um das Leistungssystem 710 anzutreiben.
  • Die Fehlerschutzschaltung 700 kann ferner eine Detektierungsschaltung 720 umfassen, die betreibbar ist, um ein Überspannungs- oder ein Überstromereignis zu detektieren, das das Leistungssystem beschädigen kann. Spezifisch kann die Detektierungsschaltung 720 betreibbar sein, eine Gate-Spannung Gate-Spannung Vg anzulegen, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert Vth,2 der Leistungsvorrichtung 100 ist, sodass ein Stoßstrom zwischen den Eingangsanschlüssen 712, 714 des Leistungssystems geleitet werden kann. Vorteilhaft kann die Detektierungsschaltung 720 mit der Gate-Treiberschaltung 702 verbunden werden, um die Gate-Spannung Vg zu steuern, die von der Gate-Treiberschaltung 702 ausgegeben wird. Auch wenn die Detektierungsschaltung 720 und die Gate-Treiberschaltung 702 in 7 getrennt dargestellt sind, kann die Gate-Treiberschaltung 702 auch in die Detektierungsschaltung 720 implementiert sein, und/oder die Detektierungsschaltung 720 kann betreibbar sein, um eine Spannung auf das Gate der Leistungsvorrichtung 100 anzulegen.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist die Detektierungsschaltung betreibbar, eine Spannung anzulegen, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert ist, wenn die Detektierungsschaltung detektiert, dass ein Überstrom, der länger als eine festgelegte Zeit dauert, zu einem Schaden des Leistungssystems 710 führen würde. Typischerweise kann die Überstrombedingung nur für eine kurze Zeit vorliegen, z.B. einige bis einige hundert Mikrosekunden, d.h. 500 µs, 1ms, spezifisch 10 ms, vorzugsweise 100 ms. Demgemäß kann die Detektierungsschaltung betreibbar sein, zwischen einer solchen kurzen Überstrombedingung und einer Überstrombedingung, die länger dauert, spezifisch einige bis einige hundert Millisekunden oder mehr, zu unterscheiden. Vorzugsweise kann die Detektierungsschaltung betreibbar sein, zwischen einer kurzen Überstrombedingung und einer Überstrombedingung, die länger als 500 µs, insbesondere länger als 1ms, spezifisch länger als 10 ms, vorzugsweise länger als 100 ms dauert, zu unterscheiden. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, das Leistungssystem vor einem Strom zu schützen, der das Leistungssystem beschädigen kann. Über die oben erwähnte Zeitkomponente hinaus kann zusätzlich oder alternativ dazu der Wert des Überstroms von Interesse sein. Das heißt, beim Bestimmen, ob das Leistungssystem geschützt werden soll oder nicht, kann die Anwendung der Energie des Stroms in Erwägung gezogen werden. In einem solchen Fall wird eine Spannung, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert ist, für den Fall der länger andauernden Überstrombedingung angelegt. Demgemäß werden die schaltbaren Zellen des zweiten schaltbaren Gebiets nur im Fall der lang andauernden und kritischen Überströme leitfähig, die das Leistungssystem 710 beschädigen würden. Durch das Einschalten der Leistungsvorrichtung wird der Eingang (712, 714) des Systems 710 kurzgeschlossen und vor Hochströmen geschützt. Im Fall einer Überspannung für das System 710 kann die Detektierungsschaltung 720 betreibbar sein, um eine Spannung anzulegen, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, sobald die Detektierungsschaltung 720 die Überspannung detektiert. So schließt die Leistungsvorrichtung den Eingang (712, 714) des Systems 710 kurz und schützt es.
  • Die 8A bis 8C zeigen einen Leistungswechselrichter oder Leistungswandler.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst der Leistungswechselrichter 500 oder Leistungswandler 500 eine Brückenschaltung 510 und eine Gate-Treiberschaltung 530.
  • Die Brückenschaltung 510 umfasst eine erste Halbbrücke 512, die eine High-Side-Leistungsvorrichtung 514, die zwischen einem ersten Knoten n1 und einem High-Side-Knoten nc1 eines Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung 516, die zwischen dem ersten Knoten n1 und einem Low-Side-Knoten nc2 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, aufweist. Die Brückenschaltung 510 umfasst ferner zumindest eine zweite Halbbrücke 513 mit einer High-Side-Leistungsvorrichtung 515, die zwischen einem zweiten Knoten n2 und dem High-Side-Knoten nc1 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, und einer Low-Side-Leistungsvorrichtung 517, die zwischen dem zweiten Knoten n2 und dem Low-Side-Knoten nc2 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist. Die Brückenschaltung 510 kann ferner zumindest eine dritte Halbbrücke umfassen, die eine High-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen einem dritten Knoten und dem High-Side-Knoten nc1 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen dem dritten Knoten und dem Low-Side-Knoten nc2 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, umfasst. Die erste, zweite und dritte Halbbrücke kann mit Phasen einer elektrischen Vorrichtung M wie etwa einem Motor oder Generator verbunden sein. Vorzugsweise entspricht die Anzahl an Halbbrücken der Anzahl an Phasen der elektrischen Vorrichtung M. Die Anzahl an Phasen der elektrischen Vorrichtung M und die Anzahl an Halbbrücken kann drei betragen.
  • Die Gate-Treiberschaltung 530 ist mit jedem Gate oder jeder Gateelektrodenstruktur 315 der High-Side- und Low-Side-Leistungsvorrichtungen 514, 515, 516, 517 der ersten und zweiten Halbbrücke 512, 513 verbunden und betreibbar, um für jedes Gate eine jeweilige Spannung bereitzustellen, um den Betrieb der jeweiligen Leistungsvorrichtung 514, 515, 516, 517 zu steuern (die Verbindungen der Gate-Treiberschaltung 530 und des Gates oder der Gateelektrodenstruktur 315 der High-Side-und Low-Side-Leistungsvorrichtungen 514, 515, 516, 517 sind schematisch in den 8A bis 8C als Verbindung „G“ veranschaulicht). Spezifisch kann die Gate-Treiberschaltung 530 mit den Gateelektrodenstrukturen aller Leistungsvorrichtungen der Brückenschaltung 510 verbunden sein. Die Gate-Treiberschaltung 530 ist betreibbar, um eine erste Spannung bereitzustellen, die höher als die erste Schwellenwertspannung Vth,1 der jeweiligen Leistungsvorrichtung 514, 515, 516, 517 ist, bei der die jeweilige Leistungsvorrichtung 514, 515, 516, 517 leitfähig wird, um den Nennstrom der jeweiligen Leistungsvorrichtung 514, 515, 516, 517 zu leiten, und eine zweite Spannung bereitzustellen, die höher als ein Stoßschwellenwert Vth,2 der jeweiligen Leistungsvorrichtung 514, 515, 516, 517 ist, worin der Stoßschwellenwert Vth,2 zumindest zweimal so hoch wie der erste Schwellenwert Vth,1 ist und das Einsetzen eines Stoßstrombetriebsbereichs der jeweiligen Leistungsvorrichtung 514, 515, 516, 517 definiert, bei dem die jeweilige Leistungsvorrichtung 514, 515, 516, 517 betreibbar wird, um einen Stoßstrom zu leiten, der zumindest fünfmal, spezifisch zehnmal, vorzugsweise 10- bis 20-mal, noch bevorzugter 25-mal oder mehr so groß wie der Nennstrom der jeweiligen Leistungsvorrichtung 514, 515, 516, 517 ist.
  • Außerdem kann der Leistungswechselrichter 500 ferner Halbbrücken umfassen, die jeweils eine High-Side- und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung umfassen. Der Leistungswechselrichter 500, der in den 8A bis 8C gezeigt ist, umfasst drei Halbbrücken, d.h. die vorher erwähnte erste und zweite Halbbrücke 512, 514 und eine dritte Halbbrücke 522. Wie oben umfasst die dritte Halbbrücke 522 eine High-Side-Leistungsvorrichtung 521, die zwischen einem dritten Knoten n3 und dem High-Side-Knoten nc1 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung 523, die zwischen dem dritten Knoten n3 und dem Low-Side-Knoten nc2 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist. Spezifisch kann die Anzahl der Halbbrücken der Anzahl an Phasen der gekoppelten elektrischen Vorrichtung M entsprechen.
  • Beispielsweise kann ein spontaner Halbleiterausfall (Höhenstrahlungsausfall, Diodenausfall während Sperrverzögerungsperiode, siehe 8A; die Leistungsvorrichtung 514 wird kurzgeschlossen) einen DC-Verbindungskurzschluss in einem Wandler verursachen. Aufgrund sehr hoher Kurzschlussströme und nachfolgender Belastung für Wandlerkomponenten (Sammelschienen, Halbleiter etc.), wird diese Art von Kurzschluss bevorzugt verhindert. So wird die Kurzschlusskapazität der Leistungsvorrichtung (516 in 8A) verwendet, um den auftretenden Strom zu begrenzen und den DC-Verbindungskurzschluss innerhalb von Mikrosekunden abzuschalten. Nach einem solchen Ereignis werden alle verbleibenden Leistungsvorrichtungen abgeschaltet und bleiben im Impulssperrmodus. Daher können Strompfade mit und ohne DC-Verbindungskondensator auftreten, siehe Pfeile in 8A. Das führt jedoch zu einem asymmetrischen Kurzschluss der Motor-/Geneneratorlast und kann Wechselmomente verursachen, was für möglichen Anwendungen wie etwa einen Generator in einer Windturbine kritisch werden kann und daher vermieden werden sollte.
  • Wie in den 8B und 8C gezeigt ist eine Möglichkeit, um den Kurzschluss der Last symmetrisch zu machen, eine Gate-Spannung Vg auf die High-Side-Leistungsvorrichtungen 514, 515 der ersten und zweiten Halbbrücke 512, 513 anzulegen, die höher als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist. Im Fall eines zerstörten Halbleiters an Position T1 (514) werden die High-Side-Leistungsvorrichtungen 514, 515 eingeschaltet (siehe Pfeile in 8C). Andererseits werden die Low-Side-Leistungsvorrichtungen 516, 517 im Fall eines zerstörten Halbleiters an Position T4 (516) eingeschaltet. So werden alle Phasen der Last für alle Stromrichtungen kurzgeschlossen, wobei nur einmal ein Bremsmoment auftritt.
  • Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst der Leistungswechselrichter ferner eine Detektierungsschaltung, die betreibbar ist, um zwischen einem Kurzschluss und einem Stoßstromereignis in der Brückenschaltung zu unterscheiden, worin die Detektierungsschaltung betreibbar ist, um die Gate-Treiberschaltung zu steuern, um die zweite Spannung bereitzustellen, wenn die Detektierungsschaltung das Stoßstromereignis detektiert. Spezifisch ist der Kurzschluss ein relativ kurzes Ereignis, z.B. ein Ereignis, das einige bis einige Mikrosekunden (z.B. 10 µs) dauert, während das Stoßstromereignis ein relativ lange andauerndes Ereignis ist, z.B. ein Ereignis, das einige bis einige hundert Millisekunden oder mehr dauert. Demgemäß weist ein Kurzschluss eine Dauer auf, die signifikant kleiner ist als eine Dauer des Stoßstromereignisses.
  • Zur Detektierung eines Stoßstromereignisses kann die Messung der Kollektorstromsteigung verwendet werden. Für den Fall eines DC-Verbindungskurzschlusses ist die Steigung typischerweise einige Mal höher als für den Stoßstromfall. Im Kurzschlussfall kann die Kollektorstromsteigung (dlc/dt) höher als ein kritischer Wert sein, und die Schutzschaltung kann die Gate-Spannung Vg unter dem zweiten Schwellenwert Vth,2 halten und die Leistungsvorrichtung nach einigen Mikrosekunden abschalten. Im Stoßstromfall ist die Kollektorstromsteigung typischerweise kleiner als ein kritischer Wert. Die Schutzschaltung kann die Gate-Spannung Vg auf einen Wert über dem zweiten Schwellenwert Vth,2 erhöhen. So werden die schaltbaren Zellen 101a des ersten schaltbaren Gebiets und die schaltbaren Zellen 101b des zweiten schaltbaren Gebiets aktiv, und ein Stoßstrom kann mit niedrigen Verlusten geleitet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswechselrichters 500 bereitgestellt. Der Leistungswechselrichter 500 umfasst eine Brückenschaltung 510 mit einer ersten Halbbrücke 512, die eine High-Side-Leistungsvorrichtung 512, die zwischen einem ersten Knoten n1 und einem High-Side-Knoten nc1 eines Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung 516, die zwischen dem ersten Knoten n1 und einem Low-Side-Knoten nc2 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, aufweist, und zumindest einer zweiten Halbbrücke 513, die eine High-Side-Leistungsvorrichtung 515, die zwischen einem zweiten Knoten n2 und dem High-Side-Knoten nc1 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung 517, die zwischen dem zweiten Knoten n2 und dem Low-Side-Knoten nc2 des Zwischenschaltungsspeichers C verbunden ist, umfasst. Eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce und/oder ein Kollektorstrom Ic werden/wird detektiert. Außerdem wird bestimmt, ob ein Überstrom- oder Überspannungsbedingung erreicht wurde. Spezifisch kann bestimmt werden, ob eine zeitliche Veränderung der Kollektor-Emitter-Spannung dVce/dt unter einem festgelegten Schwellenwert (dVce/dt)_crit liegt und/oder ob eine zeitliche Veränderung des Kollektorstroms dlc/dt unter einem festgelegten Schwellenwert (dlc/dt)_crit liegt und/oder ob der Kollektorstrom zur Zeit des Beginns der Entsättigung der betroffenen Leistungsvorrichtung plus eine vorher festgelegte Zeitverzögerung Ic(t_ent+delta_t) unter einem festgelegten Schwellenwert Ic_crit liegt, d.h., ob Vce dVce(t)/dt < (dVce/dt) crit und/oder dIc(t)/dt < (dIc/dt) crit und/oder Ic(t_ent + delta_t) < Ic crit wahr ist.
  • Unter Berücksichtigung der ersten Bedingung wird geprüft, ob die Geschwindigkeit der Anstiegs der Kollektor-Emitter-Spannung Vce der betroffenen Leistungsvorrichtung der jeweiligen Halbbrücke, durch die der Kurzschlussstrom fließt, zur Zeit der Entsättigung t_ent dieser Leistungsvorrichtung potenziell niedriger ist als der vorher festlegbare kritische Wert. Unter Berücksichtigung der zweiten Bedingung wird geprüft, ob die Geschwindigkeit des Anstiegs des Kollektorstroms Ic der betroffenen Leistungsvorrichtung der jeweiligen Halbbrücke, durch die der Kurzschlussstrom fließt, potenziell niedriger ist als ein vorher festlegbarer kritischer Wert. Und unter Berücksichtigung der dritten Bedingung wird geprüft, ob der Kollektorstrom Ic zur Zeit nach dem Ablaufen der Zeitverzögerung delta t beim Start der Entsättigung der betroffenen Leistungsvorrichtung der jeweiligen Halbbrücke, durch die der Kurzschlussstrom fließt, kleiner ist als ein vorher festlegbarer kritischer Wert. Diese Bedingungen können zum Beispiel durch die Detektierungsschaltung geprüft werden.
  • Wenn zumindest eine der vorher erwähnten Bedingungen erreicht wurde, wird die Gate-Spannung Vg von einer der Leistungsvorrichtungen 512, 514, 513, 517 über einen Stoßschwellenwert Vth,2 erhöht, wobei das Einsetzen eines Stoßstrombetriebsbereichs der jeweiligen Leistungsvorrichtung 512, 514, 513, 517 definiert wird.
  • Durch das Erhöhen der Gate-Spannung Vg über den Stoßschwellenwert Vth,2 wird die betroffene Leistungsvorrichtung 512, 514, 513, 517 betreibbar, um einen Stoßstrom zu leiten, der zumindest fünfmal so groß wie ein Nennstrom der jeweiligen Leistungsvorrichtung ist, der während normalem Betrieb durch die jeweilige Leistungsvorrichtung 512, 514, 513, 517 geleitet wird, d.h., für eine angelegte Gate-Spannung Vg über einem ersten Schwellenwert Vth,1, aber unter dem Stoßschwellenwert Vth,2. Dabei kann eine Entsättigung und die nachfolgende Zerstörung des Elements verhindert werden. Folglich kann der Leistungswechselrichter in einem Zustand gesteuert werden, in dem diese Verbindungen des Leistungswechselrichters 500, mit dem die Last verbunden wurde, kurzgeschlossen werden. Die resultierenden Kurzschlussströme, die durch die Last fließen, können sich daher symmetrisch entwickeln. Wenn die Last ein elektrischer Motor oder ein Generator ist, weist der Zustand der Symmetrie des Leitungsgleichrichters die Wirkung auf, dass kleinere Drehmomentveränderungen auf der Last auftreten.
  • Der Leistungswechselrichter 500 kann daher in die Position zum Detektieren eines Zweigkurzschlusses und zum Abschalten der einen oder der mehreren Leistungsvorrichtungen einerseits sowie – im Fall eines Lastkurzschlusses – zum Erhöhen der Gate-Emitter-Spannung von einer der Leistungsvorrichtungen andererseits bewegt werden und so in der Lage sein, eine Symmetrisierung der Kurzschlussströme des Motors oder des Generators, d.h. der Last, zu erreichen.
  • Durch Erhöhen der Gate-Spannung Vg über den Stoßschwellenwert Vth,2 ist es daher möglich, eine Entsättigung und die folgende Zerstörung der Leistungsvorrichtung aufgrund von hohen lastbetriebenen Strömen zu verhindern.
  • 9 veranschaulicht eine Zerhacker-Schaltung (Chopper-Schaltung). Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst eine Zerhacker-Schaltung 900 einen ersten Eingangsanschluss 902 zum Verbinden mit einer Stromversorgung, einen ersten Ausgangsanschluss 904 zum Verbinden mit einer Last, und die Leistungsvorrichtung 100. Die Leistungsvorrichtung 100 kann parallel mit dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sein.
  • Die Zerhacker-Schaltung 900 kann ferner einen Bremswiderstand 906 umfassen, der in Serie mit der Leistungsvorrichtung 100 verbunden ist. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die Zerhacker-Schaltung parallel mit einer Kapazität C verbunden sein. Spezifisch kann die Kapazität C die Kapazität der in den 8A bis 8C gezeigten Ausführungsformen sein. Demgemäß kann die Zerhacker-Schaltung 900, spezifisch die Leistungsvorrichtung 100 und der Widerstand 906, parallel mit der Kapazität C der in den 8A bis 8C gezeigten Ausführungsformen verbunden sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird eine Spannung, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, auf die Leistungsvorrichtung 100 angelegt, wenn eine Überspannung oder ein Überstrom detektiert wird. In diesem Fall kann eine Überspannung oder ein Überstrom, die oder der in der Zerhacker-Schaltung oder in einer Schaltung, die mit der Zerhacker-Schaltung verbunden ist, auftritt, zum Bremswiderstand 906 geleitet werden, wobei die Energie, die der Überstrom- oder Überspannungsbedingung entspricht, in Wärmeenergie umgewandelt werden kann. So kann die elektrische Schaltung, die mit der Zerhacker-Schaltung 900 verbunden ist, geschützt werden.
  • Wenn spezifisch ein Antriebssystem wie etwa z.B. eine Windturbine in Erwägung gezogen wird, hat es eine Geschwindigkeit „v“, es weist also kinetische Energie auf. Wenn das System verlangsamt wird, fließt die überschüssige Energie in der Form von regenerativer Leistung von einem Verstärker zurück zu einer DC-Verbindung. Wenn diese Spannung eine Schwellenwertspannung übersteigt, kann die Zerhacker-Schaltung 900 elektronisch geschaltet werden, indem eine Spannung angelegt wird, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist. Die überschüssige Energie wird dann durch den verbundenen Bremswiderstand 906 fast vollständig in Wärmeenergie umgewandelt. Herkömmlicherweise können Thyristoren als schaltbare Elemente verwendet werden. Thyristoren stellen jedoch den Nachteil bereit, dass sie nicht leicht zu steuern sind. Spezifisch können Thyristoren nicht sofort ein- und ausgeschaltet werden. Demgemäß stellt die vorliegende Anmeldung eine neue schaltbare Leistungsvorrichtung 100 bereit, die einen Thyristor in üblichen Schutzschaltungen ersetzen kann.
  • 10 veranschaulicht einen Kurzschließer (Crowbar). Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst ein Kurzschließer 100 eine erste Diodenbrücke 1010, einen ersten Knoten 1012 und die Leistungsvorrichtung 100. Die erste Diodenbrücke 1010 kann eine erste Kurzschließerdiode 1014, die zwischen dem ersten Knoten 1012 und einem Kollektoranschluss der Leistungsvorrichtung 100 verbunden ist, und eine zweite Kurzschließerdiode 1016, die zwischen dem ersten Knoten 1012 und einem Emitteranschluss der Leistungsvorrichtung 100 verbunden ist, umfassen. Der erste Knoten 1012 kann mit einer ersten Phase einer Wechselstromschaltung (AC-Schaltung) verbunden sein. Der Kollektoranschluss kann in ohmschem Kontakt mit dem Kollektorgebiet der Leistungsvorrichtung 100 sein. Der Emitteranschluss kann in ohmschem Kontakt mit dem Emittergebiet der Leistungsvorrichtung 100 sein. Außerdem kann ein Kurzschließerwiderstand 1040 in Serie mit der Leistungsvorrichtung 100 verbunden sein. Spezifisch kann der Kurzschließerwiderstand 1040 zwischen dem Kollektoranschluss der Leistungsvorrichtung 100 und der ersten Kurzschließerdiode 1014 verbunden sein.
  • Der Kurzschließer 1000 kann ferner eine zweite Diodenbrücke 1020 und einen zweiten Knoten 1022 umfassen. Die zweite Diodenbrücke 1020 kann eine dritte Kurzschließerdiode 1024, die zwischen dem zweiten Knoten 1022 und dem Kollektoranschluss der Leistungsvorrichtung 100 verbunden ist, und eine vierte Kurzschließerdiode 1026, die zwischen dem zweiten Knoten 1022 und dem Emitteranschluss der Leistungsvorrichtung 100 verbunden ist, umfassen. Der zweite Knoten 1022 kann mit einer zweiten Phase der AC-Schaltung verbunden sein. Der Kurzschließer 1000 kann ferner eine dritte Diodenbrücke 1030 und einen dritten Knoten 1032 umfassen. Die dritte Diodenbrücke 1030 kann eine fünfte Kurzschließerdiode 1034, die zwischen dem dritten Knoten 1032 und dem Kollektoranschluss der Leistungsvorrichtung 100 verbunden ist, und eine sechste Kurzschließerdiode 1036, die zwischen dem dritten Knoten 1032 und dem Kollektoranschluss der Leistungsvorrichtung 100 verbunden ist, umfassen. Der dritte Knoten 1032 kann mit einer dritten Phase der AC-Schaltung verbunden sein. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der AC-Phasen der Anzahl an Diodenbrücken.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird eine Spannung, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert Vth,2 ist, auf die Leistungsvorrichtung 100 angelegt, wenn eine Überspannung oder ein Überstrom detektiert wird. In diesem Fall kann eine Überspannung oder ein Überstrom, die oder der in der AC-Schaltung auftritt, zum Kurzschließerwiderstand 1040 geleitet werden, wobei die Energie, die der Überstrom- oder Überspannungsbedingung entspricht, in Wärmeenergie umgewandelt werden kann. So kann die AC-Schaltung, die mit dem Kurzschließer 1000 verbunden ist, geschützt werden. Das heißt, während der Kurzschließeraktivierung werden die AC-Phasen durch den Kurzschließer 1000 kurzgeschlossen, und die Ströme in der AC-Schaltung werden gemäß der Dimensionierung des Kurzschließerwiderstands 1040 begrenzt. Spezifisch können durch die Leistungsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen höhere Ströme durch die Leistungsvorrichtung geleitet werden, ohne während der Kurzschließeraktivierung den Sättigungswert des Kollektorstroms Ic zu erreichen, d.h., ohne Entsättigung.
  • Räumlich relative Begriffe wie etwa „unter“, „darunter“, niedrige/r/s“, „über“, „obere/r/s“ und dergleichen werden zur leichteren Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Elements im Verhältnis zu einem zweiten Element zu erklären. Diese Begriffe sollen unterschiedliche Orientierungen der Vorrichtung zusätzlich zu unterschiedlichen Orientierungen, die in den Figuren dargestellt sind, umfassen. Außerdem werden Begriffe wie etwa „erste/r/s“, zweite/r/s“ und dergleichen auch verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte etc. zu beschreiben, und sollen nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe betreffen gleiche Elemente in der Beschreibung.
  • Wie hierin verwendet sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „einschließlich“, „umfassend“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorliegen von angegebenen Elementen oder Merkmalen angeben, jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein“, „eine“ und „die“, „der“, „das“ sollen die Pluralformen sowie die Singularformen umfassen, sofern der Kontext dies nicht klar widerlegt.
  • Unter Beachtung der obenstehenden Reihe an Variationen und Anwendungen soll verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorige Beschreibung, noch durch die beiliegenden Zeichnungen eingeschränkt ist. Stattdessen wird die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente eingeschränkt.
  • Die obige schriftliche Beschreibung verwendet spezifische Ausführungsformen, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus, zu offenbaren, und auch um Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Auch wenn die Erfindung hinsichtlich verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, erkennen Fachleute auf dem Gebiet, dass die Erfindung mit Modifikation innerhalb vom Geistes und Schutzumfang der Ansprüche ausgeübt werden kann. Insbesondere können sich gegenseitig nicht ausschließende Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Der patentierbare Schutzumfang wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die Fachleuten in den Sinn kommen. Solche anderen Beispielen sollen innerhalb vom Schutzumfang der Ansprüche liegen, wenn sie Struktuelemente aufweisen, die sich von der wörtlichen Sprache der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Sprache der Ansprüche umfassen.
  • Es soll verstanden werden, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern es nicht spezifisch anders angemerkt ist.
  • Auch wenn hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, erkennen Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung, dass eine Vielzahl an alternativen und/oder äquivalenten Umsetzungen die spezifischen veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsformen ersetzen können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Patentanmeldung soll alle beliebigen Adaptierungen oder Variationen der spezifischen hierin erörterten Ausführungsformen abdecken. Daher soll diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente davon eingeschränkt werden.

Claims (22)

  1. Leistungsvorrichtung, umfassend: ein Halbleitersubstrat, umfassend eine Vielzahl an schaltbaren Zellen, die eine aktive Fläche der Leistungsvorrichtung definieren, wobei jede der schaltbaren Zellen ein Emittergebiet und ein Kollektorgebiet umfasst; eine Emittermetallisierung in ohmschem Kontakt mit dem Emittergebiet der schaltbaren Zellen; und eine Kollektormetallisierung in ohmschem Kontakt mit dem Kollektorgebiet der schaltbaren Zellen; worin die aktive Fläche erste schaltbare Gebiete und zweite schaltbare Gebiete, die sich von dem ersten schaltbaren Gebiet unterscheiden, umfasst, wobei jedes der ersten und zweiten schaltbaren Gebiete zumindest einen Teil von einer oder mehreren von den schaltbaren Zellen umfasst; worin die ersten schaltbaren Gebiete einen ersten Schwellenwert im Bereich von 5 V bis 10 V aufweisen, der einen Vorrichtungsschwellenwert definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung leitfähig wird, um einen Nennstrom der Leistungsvorrichtung zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung kontinuierlich zu leiten; und worin die zweiten schaltbaren Gebiete einen zweiten Schwellenwert im Bereich von 15 V bis 25 V aufweisen, der einen Stoßschwellenwert der Leistungsvorrichtung definiert, bei dem die Leistungsvorrichtung betreibbar wird, um einen Stoßstrom zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung zu leiten, worin der Stoßstrom der Leistungsvorrichtung zumindest fünfmal so groß wie der Nennstrom der Leistungsvorrichtung ist.
  2. Leistungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin eine Steigung der Übertragungskennlinien der schaltbaren Zellen, die in den zweiten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, höher ist als eine Steigung der Übertragungskennlinien der schaltbaren Zellen, die in den ersten schaltbaren Gebieten angeordnet sind.
  3. Leistungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die ersten schaltbaren Gebiete einen ersten Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats umfassen, die zweiten schaltbaren Gebiete einen zweiten Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats umfassen, wobei der zweite Oberflächenbereich gleich wie oder größer als der erste Oberflächenbereich ist.
  4. Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend einen Randabschluss, worin, wenn in einer Ebenenprojektion auf einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats gesehen, ein Flächenverhältnis von einer Fläche, die durch zweite schaltbare Gebiete bedeckt ist, zu einer Fläche, die durch die ersten schaltbaren Gebiete bedeckt ist, in einem Außengebiet der aktiven Fläche nahe beim Randabschluss höher ist als in einem Innengebiet der aktiven Fläche, das vom Randabschluss getrennt angeordnet ist.
  5. Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine Gate-Bus-Struktur in ohmschem Kontakt mit einer Gateelektrodenstruktur der schaltbaren Zellen, worin ein Flächenverhältnis von einer Fläche, die durch die zweiten schaltbaren Gebiete bedeckt ist, zu einer Fläche, die durch die ersten schaltbaren Gebiete bedeckt ist, in einem Gebiet nahe bei der Gate-Bus-Struktur höher ist als in einem zentralen Gebiet der aktiven Fläche.
  6. Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin jedes Bodygebiet ein Bodykontaktgebiet umfasst, das eine höhere Dotierungskonzentration aufweist als das Bodygebiet, worin Teile der Bodykontaktgebiete der schaltbaren Zellen, die in den ersten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, eine Dotierungskonzentration aufweisen, die sich von einer Dotierungskonzentration von Teilen der Bodykontaktgebiete der schaltbaren Zellen, die in den zweiten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, unterscheidet.
  7. Leistungsvorrichtung nach Anspruch 6, worin die Teile der Bodykontaktgebiete der schaltbaren Zellen, die in den zweiten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, eine Dotierungskonzentration aufweisen, die höher ist als eine Dotierungskonzentration der Teile der Bodykontaktgebiete der schaltbaren Zellen, die in den ersten schaltbaren Gebieten angeordnet sind.
  8. Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin jedes Bodygebiet ein Kanalgebiet neben einer Gateelektrodenstruktur der schaltbaren Zellen umfasst, worin Teile der Kanalgebiete der schaltbaren Zellen, die in den ersten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, eine Dotierungskonzentration aufweisen, die sich von einer Dotierungskonzentration von Teilen der Kanalgebiete der schaltbaren Zellen, die in den zweiten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, unterscheidet.
  9. Leistungsvorrichtung nach Anspruch 8, worin die Teile der Kanalgebiete der schaltbaren Zellen, die in den zweiten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, eine Dotierungskonzentration aufweisen, die höher ist als eine Dotierungskonzentration der Teile der Kanalgebiete der schaltbaren Zellen, die in den ersten schaltbaren Gebieten angeordnet sind.
  10. Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin jede schaltbare Zelle eine Gate-Isolierschicht zwischen einer Gateelektrode und dem Bodygebiet dieser schaltbaren Zelle umfasst, worin die Gate-Isolierschichten der schaltbaren Zellen, die in den zweiten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, eine Dicke aufweisen, die höher ist als eine Dicke der Gate-Isolierschichten der schaltbaren Zellen, die in den ersten schaltbaren Gebieten angeordnet sind.
  11. Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin jede schaltbare Zelle eine Gate-Isolierschicht zwischen einer Gateelektrode und dem Bodygebiet dieser schaltbaren Zelle umfasst, worin die Gate-Isolierschichten der schaltbaren Zellen, die in den ersten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, eine dielektrische Konstante aufweisen, die sich von einer dielektrischen Konstante der Gate-Isolierschichten der schaltbaren Zellen, die in den zweiten schaltbaren Gebieten angeordnet sind, unterscheidet.
  12. Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin die schaltbaren Zellen jeweils eine Gateelektrodenstruktur aufweisen, die potenzialfreie Gates aufweist.
  13. Fehlerschutzschaltung für ein Leistungssystem, umfassend: eine Leistungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Leistungsvorrichtung einen Kollektoranschluss in ohmschem Kontakt mit dem Kollektorgebiet der Leistungsvorrichtung und einen Emitteranschluss in ohmschem Kontakt mit dem Emittergebiet der Leistungsvorrichtung aufweist, worin der Kollektoranschluss und die Emitteranschlüsse mit jeweiligen Eingangsanschlüssen eines Leistungssystems verbindbar sind, um durch die Fehlerschutzschaltung geschützt zu werden; und eine Detektierungsschaltung, die betreibbar ist, um eine Überspannung oder einen Überstrom für die Leistungssysteme zu detektieren, worin die Detektierungsschaltung betreibbar ist, um eine Spannung anzulegen, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert der Leistungsvorrichtung ist, um einen Stoßstrom zwischen den Eingangsanschlüssen des Leistungssystems zu leiten und daher die Eingangsanschlüsse des Leistungssystems kurzzuschließen.
  14. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 13, worin die Detektierungsschaltung betreibbar ist, um eine Spannung anzulegen, die gleich wie oder höher als der zweite Schwellenwert ist, wenn die Detektierungsschaltung detektiert, dass der Überstrom länger als eine festgelegte Zeit dauert.
  15. Fehlerschutzschaltung nach Anspruch 14, worin die festgelegte Zeit 500 µs, 1 ms, spezifisch 10 ms, vorzugsweise 100 ms ist.
  16. Fehlerschutzschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, worin die Fehlerschutzschaltung eine Crowbar-Schaltung ist.
  17. Leistungswechselrichter, umfassend: eine Brückenschaltung, umfassend eine erste Halbbrücke, umfassend eine High-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen einem ersten Knoten und einem High-Side-Knoten eines Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen dem ersten Knoten und einem Low-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist; und zumindest eine zweite Halbbrücke, umfassend eine High-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen einem zweiten Knoten und dem High-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung, die zwischen dem zweiten Knoten und dem Low-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist; eine Gate-Treiberschaltung, die mit jedem Gate der High-Side-Vorrichtung und Low-Side-Leistungsvorrichtung der ersten und zweiten Halbbrücke verbunden ist und betreibbar ist, um für jedes Gate eine jeweilige Spannung bereitzustellen, um den Betrieb der jeweiligen Leistungsvorrichtung zu steuern, worin die Gate-Treiberschaltung betreibbar ist, um eine erste Spannung bereitzustellen, die höher ist als eine erste Schwellenwertspannung der jeweiligen Leistungsvorrichtung, bei der die jeweilige Leistungsvorrichtung leitfähig wird, um einen Nennstrom der jeweiligen Leistungsvorrichtung kontinuierlich zu leiten, und eine zweite Spannung bereitzustellen, die höher ist als ein Stoßschwellenwert der jeweiligen Leistungsvorrichtung, worin der Stoßschwellenwert zumindest zweimal so hoch ist wie der erste Schwellenwert und das Einsetzen eines Stoßstrombetriebsbereichs der jeweiligen Leistungsvorrichtung definiert, bei dem die jeweilige Leistungsvorrichtung betreibbar wird, um einen Stoßstrom zu leiten, der zumindest fünfmal so groß wie der Nennstrom der jeweiligen Leistungsvorrichtung ist.
  18. Leistungswechselrichterschaltung nach Anspruch 15, ferner umfassend eine Detektierungsschaltung, die betreibbar ist, um zwischen einem Kurzschluss- und einem Stoßstromereignis in der jeweiligen Halbbrückenschaltung zu unterscheiden, worin die Detektierungsschaltung betreibbar ist, um die Gate-Treiberschaltung zu steuern, um die zweite Spannung bereitzustellen, wenn die Detektierungsschaltung das Stoßstromereignis detektiert.
  19. Crowbar, umfassend: eine erste Diodenbrücke; einen ersten Knoten; und eine Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  20. Chopper-Schaltung, umfassend: einen ersten Eingangsanschluss zum Verbinden mit einer Stromversorgung; einen ersten Ausgangsanschluss zum Verbinden mit einer Last; eine Leistungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin die Leistungsvorrichtung parallel mit dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss elektrisch verbunden ist.
  21. Verfahren zum Betreiben eines Leistungswechselrichters, der eine Brückenschaltung aufweist, die eine Halbbrücke, umfassend eine High-Side-Leistungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, die zwischen einem ersten Knoten und einem High-Side-Knoten eines Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, die zwischen dem ersten Knoten und einem Low-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist; und zumindest eine zweite Halbbrücke, umfassend eine High-Side-Leistungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, die zwischen einem zweiten Knoten und dem High-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, und eine Low-Side-Leistungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, die zwischen dem zweiten Knoten und dem Low-Side-Knoten des Zwischenschaltungsspeichers verbunden ist, umfasst, das Verfahren umfassend: das Detektieren einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce und/oder eines Kollektorstroms Ic; das Bestimmen, ob eine Überstrom- oder Überspannungsbedingung erreicht wurde; und das Anlegen einer Gate-Spannung Vg über einem Stoßschwellenwert, der das Einsetzen eines Stoßstrombetriebsbereichs der jeweiligen Leistungsvorrichtung definiert.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, worin bestimmt wird, ob eine Überstrom- oder Überspannungsbedingung erreicht wurde, wenn eine der folgenden Bedingungen stimmt: eine zeitliche Veränderung der Kollektor-Emitter-Spannung dVce/dt liegt unter einem festgelegten Schwellenwert (dVce/dt)_crit; oder eine zeitliche Veränderung des Kollektorstroms dlc/dt liegt unter einem festgelegten Schwellenwert (dIc/dt)_crit.
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