DE102015118165A1

DE102015118165A1 - Elektrische baugruppe, umfassend eine halbleiterschaltvorrichtung und eine klemmdiode

Info

Publication number: DE102015118165A1
Application number: DE102015118165.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Basler; Johannes Georg Laven; Roman Baburske
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2017-04-27
Also published as: JP6580545B2; US20170117798A1; US10333387B2; JP2017153064A

Abstract

Eine elektrische Baugruppe (500) enthält eine Halbleiterschaltvorrichtung (510) mit einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse (L1, L2) in einem Aus-Zustand. Eine Klemmdiode (560) ist mit den beiden Lastanschlüssen (L1, L2) und parallel mit der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden. Ein Halbleiterkörper (100) der Klemmdiode (560) besteht aus Siliziumcarbid. Eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode (560) ist niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung (510).

Description

HINTERGRUND
In Anwendungen wie etwa Motorantrieben und Leistungsumwandlungsschaltungen schalten Halbleiterschalter einen Laststrom durch eine induktive Last wie etwa Transformatorspulen oder Motorwicklungen wiederholt ein und aus. Typischerweise sind Freilaufdioden parallel mit der induktiven Last oder parallel mit dem Halbleiterschalter elektrisch verbunden. Nach einem Abschalten des Laststroms wird die Freilaufdiode in Vorwärts- bzw. Durchlassrichtung vorgespannt und ermöglicht der induktiven Last, die in ihrem Magnetfeld gespeicherte Energie zu dissipieren.
In Halbbrückenschaltungen, zum Beispiel in H-Brücken für Motorantriebe oder an der Primärseite von Halbbrückenwandlern, ist eine Freilaufdiode, die in Durchlassrichtung vorgespannt wird, wenn der High-Side-Schalter ausschaltet, typischerweise parallel mit dem Low-Side-Schalter verbunden und kombiniert, und eine Freilaufdiode, die in Durchlassrichtung vorgespannt wird, wenn der Low-Side-Schalter ausschaltet, ist typischerweise parallel mit dem High-Side-Schalter verbunden und kombiniert. Vorrichtungsparameter wie etwa Sperrvermögen der Freilaufdiode und Sperrvermögen des Halbleiterschalters passen typischerweise zusammen, wobei Vorrichtungsparameter wie etwa eine Sperrspannung, ein Durchlasswiderstand und Schaltverluste in einer Weise in Beziehung zueinander stehen, so dass zum Beispiel ein höheres Sperrvermögen einen höheren Durchlasswiderstand und/oder höhere Schaltverluste in den Halbleiterschaltern bedeutet.
Es ist wünschenswert, elektrische Baugruppen zu schaffen, die Halbleiterschalter umfassen und die geringe Schaltverluste mit hoher Zuverlässigkeit kombinieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Ausführungsformen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine elektrische Baugruppe eine Halbleiterschaltvorrichtung, die einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse in einem Aus-Zustand standhält. Eine Klemmdiode ist mit den beiden Lastanschlüssen und parallel mit der Schaltvorrichtung elektrisch verbunden. Ein Halbleiterkörper der Klemmdiode besteht aus Siliziumcarbid. Eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode ist niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine elektronische Baugruppe einen Low-Side-Schalter mit einer ersten elektrischen Baugruppe und einen High-Side-Schalter mit einer zweiten elektrischen Baugruppe. Der Low-Side-Schalter und der High-Side-Schalter sind in einer Halbbrückenkonfiguration elektrisch angeordnet. Zumindest eine der elektrischen Baugruppen umfasst eine Halbleiterschaltvorrichtung, die einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse in einem Aus-Zustand standhält. Eine Klemmdiode ist mit den beiden Lastanschlüssen und parallel mit der Schaltvorrichtung elektrisch verbunden. Ein Halbleiterkörper der Klemmdiode besteht aus Siliziumcarbid. Eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode ist niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Bipolartransistormodul mit isoliertem Gate eine Halbbrückenschaltung, die einen Low-Side-Schalter und einen High-Side-Schalter umfasst. Der Low-Side-Schalter umfasst eine erste elektrische Baugruppe, und der High-Side-Schalter umfasst eine zweite elektrische Baugruppe. Zumindest eine der ersten und zweiten elektrischen Baugruppen umfasst eine Halbleiterschaltvorrichtung, die einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse in einem Aus-Zustand standhält. Eine Klemmdiode ist mit den beiden Lastanschlüssen und parallel mit der Schaltvorrichtung elektrisch verbunden. Ein Halbleiterkörper der Klemmdiode besteht aus Siliziumcarbid. Eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode ist niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine elektrische Baugruppe eine Halbleiterschaltvorrichtung, die einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse in einem Aus-Zustand standhält. Eine Klemmdiode ist mit den beiden Lastanschlüssen und parallel mit der Schaltvorrichtung elektrisch verbunden. Eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode ist niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung. Eine Rückkopplungsschaltung verbindet eine Anodenelektrode der Klemmdiode elektrisch mit einer Gateelektrode der Schaltvorrichtung. Die Rückkopplungsschaltung erhöht oder verringert eine Gatespannung an der Gateelektrode mit zunehmendem Strom durch die in Rückwärts- bzw. Sperrrichtung vorgespannte Klemmdiode.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
1A ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die eine Halbleiterschaltvorrichtung und eine Klemmdiode mit einer Lawinendurchbruchspannung umfasst, die niedriger als ein maximaler Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung ist.
1B ist ein schematisches Diagramm, das einen periodischen Laststrom veranschaulicht, um eine Definition einer Lawinen-Widerstandsfähigkeit bzw. -festigkeit für die Klemmdiode von 1A zu veranschaulichen.
1C ist ein schematisches Diagramm, das einen Betriebsmodus der elektrischen Baugruppe von 1A veranschaulicht.
1D ist ein schematisches Diagramm, das einen sicheren Betriebsbereich in puncto einzelner Lawinenereignisse in der Klemmdiode von 1A gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
2 ist ein schematisches Diagramm, das Spannungs- und Stromkurven einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform darstellt, die einen Si-IGBT (Silizium-Bipolartransistor mit isoliertem Gate) und eine SiC-MPS-(Silicon carbide merged pin Schottky)Diode umfasst.
3A ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen Si-IGBT und eine SiC-Klemmdiode umfasst.
3B ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen SiC-IGBT, eine Si-FWD (silicon free-wheeling diode bzw. Silizium-Freilaufdiode) und eine SiC-Klemmdiode umfasst.
3C ist ein schematisches Diagramm, das Spannungs/Stromcharakteristiken einer SiC-Klemmdiode und einer Freilaufdiode zum Diskutieren von Effekten der Ausführungsform von 3B zeigt.
3D ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die eine SiC-Klemmdiode und einen Si-IGFET (Feldeffekttransistor aus Silizium mit isoliertem Gate) mit Body-Diode umfasst.
3E ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die eine SiC-Klemmdiode und einen RC-IGBT (rückwärts leitenden IGBT) umfasst.
3F ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen Si-IGBT, eine Si-FWD, eine SiC-SBD (Silicon Schottky barrier diode) und eine SiC-Klemmdiode umfasst.
3G ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die eine SiC-Klemmdiode umfasst, die mit einer Vielzahl von Halbleiterschaltvorrichtungen elektrisch parallel verbunden ist.
4A ist ein schematisches Diagramm, das Spannungs/Stromcharakteristiken für einen Si-IGBT und eine SiC-Klemmdiode einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform zeigt.
4B ist ein schematisches Diagramm, das Spannungs/Stromcharakteristiken für ein Referenzbeispiel zeigt, das einen Si-IGBT und eine SiC-SBD (silicon carbide Schottky barrier diode bzw. Siliziumcarbid-Diode mit Schottky-Barriere) umfasst, zum Diskutieren von Effekten der Ausführungsformen zeigt.
4C ist ein schematisches Diagramm, das Spannungs/Stromcharakteristiken einer Silizium-Klemmdiode für verschiedene Temperaturen zeigt, um Effekte der Ausführungsformen zu diskutieren.
4D ist ein schematisches Diagramm, das Spannungs/Stromcharakteristiken einer SiC-Klemmdiode für verschiedene Temperaturen zeigt, um Effekte der Ausführungsformen zu diskutieren.
5A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer SiC-Klemmdiode, in der ein Lawinendurchbruch in einem aktiven Gebiet bzw. Bereich stattfindet, gemäß einer Ausführungsform.
5B ist eine schematische horizontale Querschnittsansicht einer SiC-Klemmdiode gemäß einer Ausführungsform, worin ein Lawinendurchbruch in einem zentralen Bereich der SiC-Klemmdiode stattfindet.
6A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer SiC-Klemmdiode mit einem pn-Übergang gemäß einer Ausführungsform basierend auf einer MPS-(merged pin Schottky)Diode.
6B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer SiC-Klemmdiode ohne pn-Übergang gemäß einer Ausführungsform basierend auf einer TMPS-(Trench- bzw. Graben-MOS-Barriere-Schottky-)Diode.
6C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Klemmdiode mit einem pn-Übergang gemäß einer Ausführungsform basierend auf einer TOPS-(Trench- bzw. Graben-Oxid-Pin-Schottky-)Diode.
6D ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Klemmdiode gemäß einer Ausführungsform basierend auf einer IDEE-(inverse injection dependency of emitter efficiency)Diode.
6E ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Klemmdiode gemäß einer Ausführungsform basierend auf einer SiC-Pin-Diode mit einem Lawinendurchbruch, der in einem Vorrichtungsbereich gepinnt (engl. pinned) ist, der abgesehen von Pinning-Bereichen (engl. pinning regions) lateral homogen ist.
7 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe mit parasitären Induktivitäten zum Diskutieren von Effekten der Ausführungsformen.
8A ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen Rückkopplungspfad unter Ausnutzung eines Spannungsabfalls über eine Induktivität umfasst.
8B ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen Rückkopplungspfad unter Ausnutzung eines Spannungsabfalls über einen ohmschen Widerstand umfasst.
9A ist eine schematische Draufsicht einer direkten kupfergebondeten Platine mit einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform mit einem Bondingdrähte umfassenden Rückkopplungspfad.
9B ist eine schematische Draufsicht einer direkten kupfergebondeten Platine mit einer elektrischen Baugruppe gemäß einer anderen Ausführungsform mit einem Rückkopplungspfad, der einen eine Schleife bildenden Streifenleiter umfasst.
10 ist ein schematisches Diagramm einer Halbbrückenschaltung, die SiC-Klemmdioden parallel zu Halbleiterschaltvorrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst.
11 ist ein schematisches Diagramm eines Smart-IGBT-Moduls, das SiC-Klemmdioden parallel zu Halbleiterschaltvorrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst.
DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
Die Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von ”–” oder ”+” neben dem Dotierungstyp ”n” oder ”p”. Beispielsweise bedeutet ”n^–” eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines ”n”-Dotierungsbereiches ist, während ein ”n⁺”-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein ”n”-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene ”n”-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
1A bis 1D beziehen sich auf eine elektrische Baugruppe 500, die beispielsweise Teil einer einseitigen bzw. unsymmetrischen (engl. single-sided) Schaltvorrichtung oder einer Halbbrückenschaltung sein kann, wobei die Halbbrückenschaltung Teil einer H-Brücke, eines Motor-Controllers oder eines Leistungswandlers, zum Beispiel eines DC/AC-Leistungswandlers, eines AC/AC-Wandlers bzw. Umsetzers oder eines DC/DC-Wandlers sein kann. Die elektrische Baugruppe 500 kann einen High-Side-Schalter bilden oder Teil eines solchen sein oder kann einen Low-Side-Schalter der Halbbrückenschaltung bilden oder Teil eines solchen sein.
1A zeigt eine Halbleiterschaltvorrichtung 510, die als Antwort auf ein an einen Steueranschluss Ctr angelegtes Signal einen Laststrom zwischen einem ersten Lastanschluss L1 und einem zweiten Lastanschluss L2 schaltet. Die Schaltvorrichtung 510 kann ein IGFET, zum Beispiel ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) in der gewöhnlichen Bedeutung, der Metallgates und Halbleitergates umfasst, oder ein IGBT sein. Einer der ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2, zum Beispiel der erste Lastanschluss L1, liegt an der Eingangs- bzw. Versorgungsseite und kann mit einer Stromversorgung elektrisch gekoppelt sein. Der andere der ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2, zum Beispiel der zweite Lastanschluss L2, liegt an der Lastseite und kann mit einer durch die Stromversorgung gespeisten Last elektrisch gekoppelt sein.
In einem Aus-Zustand sperrt die Schaltvorrichtung 510 eine über die ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2 angelegte positive Spannung. Wenn beginnend von einem Pegel eines Aus-Zustands ein Signal, das an den Steueranschluss Ctr angelegt wird, über eine Schwellenspannung ansteigt oder darunter fällt, schaltet die Schaltvorrichtung 510 ein und öffnet einen niederohmigen Pfad zwischen den ersten und zweiten Lastanschlüssen L1, L2 für einen Laststrom durch die Schaltvorrichtung 510 und die Last. Wenn das an den Steueranschluss CTR angelegte Signal zum Pegel des Aus-Zustands zurückkehrt, schaltet die Schaltvorrichtung 510 aus.
Eine Induktivität in einer Lastschaltung bzw. einem Laststromkreis, der durch den Laststrom über die eingeschaltete Schaltvorrichtung 510 versorgt wird, kann einen zusätzlichen Spannungsabfall erzeugen. Der Effekt der Induktivität der Last, welche eine Motorwicklung oder eine Transformatorwicklung sein kann, kann über weitere Vorrichtungen wie etwa Freilaufdioden dissipiert werden. Der Effekt parasitärer Induktivitäten innerhalb des Kommutierungsstromkreises, zum Beispiel die Induktivität leitfähiger Pfade innerhalb der elektrischen Baugruppe 500 oder die Induktivität von Verdrahtungsverbindungen mit der elektrischen Baugruppe 500, wird typischerweise nicht über externe Stromkreis- bzw. Schaltungselemente dissipiert. Eine Überspannung, die sich aus parasitären Induktivitäten an der Versorgungs- bzw. Eingangsseite ergibt, kann zur Folge haben, dass das Potential am ersten Lastanschluss L1 die positive Versorgungsspannung überschreiten kann. Zusätzlich oder alternativ dazu können parasitäre Induktivitäten an der geschalteten Seite zur Folge haben, dass das Potential am zweiten Lastanschluss L2 unter die negative Versorgungsspannung fallen kann. Stromstoßereignisse und Gitterüberspannung können sich der Versorgungsspannung überlagern und können eine alternative oder zusätzliche Quelle für eine Überspannung über die ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2 sein.
Falls die resultierende Überspannung dazu führt, dass die Schaltvorrichtung 510 auszufallen bzw. durchzubrechen beginnt und ein resultierender Durchbruchstrom durch die Schaltvorrichtung eine ausreichend hohe Stromanstiegsrate di/dt hat oder überhaupt ein zu hoher Strom auf dem Durchbruchszweig gesteuert wird, kann die Überspannung einen zerstörerischen Mechanismus in der Schaltvorrichtung 510, zum Beispiel eine zerstörerische Lawine, auslösen. Zum Beispiel können IGBTs, die für niederohmige und geringe Schaltverluste ausgelegt sind, gegenüber Überspannung empfindlich sein, da eine Auslegung auf niedrige Verluste typischerweise nicht zu Beschränkungen für eine Überspannungsfestigkeit passt.
Eine Klemmdiode 560 mit einem Halbleiterkörper basierend auf Siliziumcarbid und einer Lawinendurchbruchspannung, die niedriger als ein maximaler Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung 510 ist, schützt die Schaltvorrichtung 510 zuverlässig vor zerstörerischen Überspannungszuständen. Beispielsweise ist die Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode 560 zumindest 10%, zum Beispiel mindestens 20% niedriger als ein maximaler Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung 510 innerhalb des kompletten nominellen Temperaturbereichs der Schaltvorrichtung 510.
Falls die Klemmdiode 560 auf ihrem Durchbruchszweig zumindest 500% oder 400% eines maximalen Dauer- bzw. Langzeit-Laststromwertes der Schaltvorrichtung 510 für mindestens 1 μs, 100 ns oder 10 ns aushalten kann, ist die Klemmdiode 560 davor geschützt, zerstört zu werden, wenn die Schaltvorrichtung 510 nach Feststellung eines Kurzschlusszustandes abgeschaltet wird.
Falls die Klemmdiode 560 auf ihrem Durchbruchszweig zumindest 200% oder 100% eines maximalen Langzeit-Laststromwertes der Schaltvorrichtung 510 für mindestens 10 ns, 500 nm, 1 μm oder 5 μs Sekunden aushalten kann, ist die Klemmdiode 560 davor geschützt, durch gelegentliche Überspannungszustände zerstört zu werden, die mit einer geringeren Wiederholungsrate als 0,1 Hz in Anwendungen wie etwa Sperrwandler auftreten.
Falls die Klemmdiode 560 auf ihrem Durchbruchszweig mindestens 200%, 150% oder 100% eines maximalen Langzeit-Laststromwertes der Schaltvorrichtung 510 bei einer Wiederholungsrate von bis zu 16 kHz während einer gesamten Überlastperiode von mindestens 20 s, 1 s oder 100 ms aushalten kann, ist die Klemmdiode 560 davor geschützt, durch wiederholte Überspannungszustände zerstört zu werden, die unter Überlastbedingungen in Servomotoren mit Schaltfrequenzen von typischerweise bis zu 16 kHz und Überlastperioden von bis zu 20 s auftreten.
Eine andere Definition der Avalanche- bzw. Lawinenunempfindlichkeit bzw. der Lawinenfestigkeit kann im Hinblick auf Anwendungen in Halbbrückenschaltungen und einen periodischen Laststrom definiert werden, der durch eine induktive Last fließt, die mit einem Netzwerkknoten zwischen einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter elektrisch verbunden ist.
1B zeigt den periodischen Laststrom ILD mit einer Periode T und einem Spitzenstrom IPK. Die Klemmung kann aktiv sein, wenn der Laststrom ILD 50%, 80% oder 90% des Spitzenstroms übersteigt. Falls während der Klemmzeit die Klemmdiode 560 auf ihrem Durchbruchszweig zumindest 150%, 120% oder 100% eines maximalen Langzeit-Laststromwerts der Schaltvorrichtung 510 für wiederholte Impulse mit einer Dauer von mindestens 10 ns, 100 ns oder 1 μs aushalten kann, ist die Klemmdiode 560 davor geschützt, durch sukzessive Überspannungszustände zerstört zu werden, die um Spitzen eines periodischen Lastsignals bei einer für Schaltfrequenzen bis zu 10 kHz, 20 kHz oder 50 kHz typischen Wiederholungsrate auftreten.
Aufgrund der Materialeigenschaften von Siliziumcarbid hält die Klemmdiode 560 vergleichsweise hohen Durchbruchströmen bis zu z. B. 5000 A/cm² oder mehr ohne Verlust des Sperrvermögens stand, unmittelbar nachdem der Lawinendurchbruch geendet hat.
Anders als auf Silizium basierende Klemmdioden, zum Beispiel Si-TVS-(silicon transient voltage suppressor-)Dioden, kann eine einzige Klemmdiode einer Sperrspannung von mehr als 650 V, 1200 V, 1700 V oder mehr standhalten. In SiC-Dioden hängt die Durchbruchspannung in einem geringeren Maße als in Siliziumdioden von der Temperatur ab. Als Folge bleibt die Spannung über die Lastanschlüsse L1, L2 stabiler. Die steile I/V-Kennlinie bzw. -Charakteristik von SiC-Dioden hat zur Folge, dass nach dem Durchbruch die Spannung nur in einem geringen Maße zunimmt.
SiC-Dioden weisen typischerweise eine höhere Hintergrunddotierung auf, so dass, wenn der Halbleiterkörper mit Ladungsträgern im Lawinendurchbruch geflutet wird, die Verteilung der Ladungsträger und Stromdichte gleichmäßiger als in Silizium ist. Eine lokale Überhitzung kann in einem höheren Maße vermieden werden, so dass eine Lawinenunempfindlichkeit bzw. -festigkeit höher ist.
Die elektrische Baugruppe 500 kann Teil eines einseitigen bzw. unsymmetrischen Schalters sein, wobei eine Freilaufdiode zum Dissipieren von in einem Magnetfeld einer induktiven Last gespeicherter Energie typischerweise mit der Halbleiterschaltvorrichtung 510 parallel verbunden ist. Die Klemmdiode 560 kann wie die Freilaufdiode wirksam sein, oder eine andere Diode, die im Wesentlichen als Freilaufdiode genutzt wird, kann mit der Klemmdiode 560 elektrisch parallel verbunden sein.
Gemäß anderen Ausführungsformen ist die elektrische Baugruppe 500 Teil einer Halbbrückenschaltung. In Halbbrückenschaltungen sind ein High-Side-Schalter und ein Low-Side-Schalter in Bezug auf ihre Lastpfade elektrisch in Reihe geschaltet. Eine Last ist mit einem dazwischenliegenden Netzwerkknoten verbunden, der den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter verbindet. Eine Gate-Treiberschaltung schaltet den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter abwechselnd ein und aus.
Falls die Schaltvorrichtungen der Halbbrückenschaltung IGFETs sind, lässt eine Body-Diode des High-Side-Schalters einen Strom fließen, der in den Induktivitäten an der geschalteten Lastseite gespeicherte Energie dissipiert, nachdem der Low-Side-Schalter abgeschaltet hat. Eine Body-Diode des Low-Side-Schalters lässt einen Strom fließen, der in den Induktivitäten an der geschalteten Lastseite gespeicherte Energie dissipiert, nachdem der High-Side-Schalter abgeschaltet hat.
Falls die Schaltvorrichtungen einer Halbbrückenschaltung IGBTs sind, lässt, nachdem der Low-Side-Schalter abgeschaltet hat, eine Freilaufdiode, die mit dem High-Side-Schalter elektrisch parallel verbunden ist, einen Strom fließen, der in den Induktivitäten an der geschalteten Lastseite gespeicherte Energie dissipiert. Nachdem der High-Side-Schalter abgeschaltet hat, lässt eine mit dem Low-Side-Schalter elektrisch parallel verbundene Freilaufdiode einen Strom fließen, der in den Induktivitäten an der geschalteten Lastseite gespeicherte Energie dissipiert.
In beiden Fällen arbeiten die Body-Dioden und die Freilaufdioden im Vorwärts- bzw. Durchlassmodus. Da die Body-Dioden und die Freilaufdioden gegen eine Lawine typischerweise nicht unempfindlich bzw. nicht lawinenfest sind, ist das Sperrvermögen der Body-Dioden und der Freilaufdioden typischerweise das gleiche oder höher wie das Sperrvermögen des Halbleiterschalters, dem sie zugeordnet sind. Im Gegensatz dazu antwortet die Klemmdiode 560 gemäß den Ausführungsformen auf einen umgekehrten Überspannungszustand. Die Klemmdiode 560 schützt die Schaltvorrichtung 510 davor, einer Spannung jenseits des maximalen Durchbruchspannungswertes ausgesetzt zu werden. Da die Klemmdiode 560 zumindest 80% eines maximalen Langzeit-Laststromwertes der Schaltvorrichtung 510 für zumindest 500 ns, 1 μs oder 5 μs aushalten kann, ist die Klemmdiode 560 davor geschützt, durch wiederholte Überspannungszustände zerstört zu werden, die in Schaltzyklen mit einer Wiederholungsrate von höchstens 50 kHz auftreten.
Verglichen mit herkömmlichen Ansätzen, die zerstörerische Überspannungszustände vermeiden, indem Schaltvorrichtungen mit einem maximalen Spannungssperrwert weit jenseits der höchsten Versorgungsspannung ausgewählt werden, das heißt indem eine hohe Sicherheitstoleranz in puncto der Durchbruchspannung auf Kosten der Leistungseffizienz berücksichtigt wird, ermöglicht die Klemmdiode 560 die Verwendung von Schaltvorrichtungen 510 mit geringeren elektrischen Verlusten.
Für eine Anwendung, die Spannung von höchstens 600 V bereitstellt, kann beispielsweise eine herkömmliche Halbbrückenschaltung typischerweise Schaltvorrichtungen mit einem maximalen Durchbruchspannungswert von 1200 V umfassen, wobei 1200 V-Vorrichtungen typischerweise signifikant höhere Verluste als 600 V-Vorrichtungen aufweisen. Infolge der hohen Überspannungsunempfindlichkeit bzw. -festigkeit der elektrischen Baugruppe 500 kann eine 900 V-Schaltvorrichtung mit inhärent geringeren Verlusten die 1200 V-Schaltungsvorrichtung ohne Verlust an Zuverlässigkeit ersetzen.
Aufgrund der gegen Durchbruch robusten Klemmdiode 560 ist die elektrische Baugruppe 500 weniger empfindlich gegenüber parasitären Induktivitäten. Eine Verdrahtung zwischen Komponenten der elektrischen Baugruppe 500 sowie eine Verdrahtung eines elektrischen Moduls, das die elektrische Baugruppe 500 enthält, kann ohne teure Verdrahtungsverbindungen mit niedriger Induktivität auskommen. Designanforderungen für die Verdrahtung auf/zu Komponententrägern wie etwa zum Beispiel eine PCB (Leiterplatte) sind gelockerter.
In 1C veranschaulichen eine Referenzspannungskurve 411 sowie eine Referenzstromkurve 412 das Schaltverhalten der Schaltvorrichtung 510 von 1A ohne die Klemmdiode 560. Nach einem Beginn der Abschaltung steigt die Spannung V_L1L2 zwischen den ersten und den zweiten Lastanschlüssen L1, L2 bei t = t0 steil an. Nach einer gewissen Zeit beginnt bei V_L1L2 = V_S(V_DC) der Laststrom I_L steil abzufallen. Energie, die in den Magnetfeldern parasitärer Induktivitäten an der geschalteten Lastseite oder zwischen der Spannungsquelle, die die Versorgungsspannung V_S bereitstellt, und dem Lastanschluss an der Versorgungsseite gespeichert ist, induziert einen Dissipationsstrom, der das Potential an der Versorgungsseite erhöht und/oder das Potential an der geschalteten Lastseite der Schaltvorrichtung 510 auf unter das niedrigere Potential der Versorgungsspannung V_S verringert. Ein signifikanter Überspannungszustand kann auftreten. In Halbbrückenkonfigurationen kann sich eine Einschalt-Überspannung einer Freilaufdiode des komplementären Schaltkreises dem Potential an der geschalteten Seite überlagern. Die Spannung V_L1L2 kann den maximalen Durchbruchspannungswert V_BR der Schaltvorrichtung 510 von 1A übersteigen.
Eine Spannungskurve 401 sowie eine Stromkurve 402 veranschaulichen das Schaltverhalten der elektrischen Baugruppe 500 von 1A mit der Klemmdiode 560. Nach Beginn einer Abschaltung bei t = t0 steigt die Spannung V_L1L2 steil an. Wenn bei t = t1 die Spannung über die elektrische Baugruppe 500 die Lawinendurchbruchspannung V_AV der Klemmdiode 560 übersteigt, beginnt die letztgenannte zu leiten. Die Spannung über die Schaltvorrichtung 510 übersteigt nicht die Lawinendurchbruchspannung V_AV, welche höher als die Versorgungsspannung V_S und niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert V_BR der Schaltvorrichtung 510 ist.
Die Klemmdiode 560 ist eine Lawinendiode, die dafür ausgelegt ist, das Lawinenphänomen sicher zu bewältigen, ohne zerstört zu werden. In einer Lawinendiode findet der Lawinendurchbruch in einem zentralen Bereich statt, wohingegen in anderen Dioden der Lawinendurchbruch typischerweise in einem End- bzw. Abschlussbereich zwischen dem zentralen Bereich und einer äußeren lateralen Oberfläche eines Halbleiterkörpers stattfindet. Lawinendioden spezifizieren typischerweise eine maximale repetitive flächenbezogene Lawinenenergie E_AR/A von mindestens 0,5 J/cm² oder zumindest 2 J/cm² für Impulse von 2 μs oder zumindest 10 J/cm² für Impulse von 20 μs bei einem Tastverhältnis (engl. duty cycle) der Impulse von 0,1%. Im Gegensatz dazu ist in Schottky-Dioden die maximale elektrische Feldstärke nahe der Metall-Halbleitergrenzfläche und so, dass Schottky-Dioden typischerweise keine geeigneten Lawinendioden sind.
1D zeigt den sicheren Betriebsbereich der Klemmdiode 560 von 1A für gelegentliche Lawinenereignisse gemäß einer Ausführungsform. Zum Beispiel kann für eine SiC-Klemmdiode mit einer Chipgröße von 5 mm² die Klemmdiode 560 20 μs lang im Zustand eines Lawinendurchbruchs sein, ohne irreversibel beschädigt zu werden, unter dem Vorbehalt, dass der Lawinenstrom I_AV 25 A nicht übersteigt.
2 bezieht sich auf eine elektronische Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die eine 1200 V-SiC-MPS-Diode als Klemmdiode mit einer Lawinendurchbruchspannung V_AV = 1200 V enthält, die mit einem 1700 V-Si-IGBT mit einem maximalen Durchbruchspannungswert V_BR = 1700 V als Schaltvorrichtung elektrisch parallel verbunden ist.
Bei t = t0 fällt die V_G-Spannungskurve 423 für die Gatespannung V_G von oberhalb eines Schwellenpegels auf unterhalb des Schwellenpegels und schaltet den 1700 V-Si-IGBT aus. Eine V_CE-Spannungskurve 421 für die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE über die ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2 steigt steil an. Bei V_CE = V_AS bricht die 1200 V-Si-MPS-Diode durch, so dass V_CE etwa 1600 V nicht übersteigt. Der 1700 V-Si-IGBT ist gegen einen etwaigen Überspannungszustand sicher.
Eine I_L-Stromkruve 422 für einen Laststrom I_L durch die elektronische Baugruppe zeigt einen weniger steilen Abfall für die Zeit, in der die Klemmdiode im Lawinenzustand ist. Eine E_AR-Kurve 424 für die dissipierte Lawinenenergie E_AR steigt während einen Lawinenzyklus auf einen maximalen Wert E_AS von etwa 150 mJ an. Die dissipierte Lawinenenergie E_AS heizt die 1200 V-SiC-MPS-Diode auf und hat eine wahrnehmbare Änderung von V_CE zur Folge, wobei die Änderung signifikant geringer als für Siliziumdioden ist.
Eine intrinsische Ladungsträgerdichte in Siliziumcarbid ist selbst bei vergleichsweise hohen Temperaturen bis zu etwa 1000°C niedrig. Als Folge ist der Leckstrom einer sperrenden SiC-MPS-Diode oder irgendeiner anderen Siliziumcarbiddiode sogar direkt nach einer Erholung von einem Lawinendurchbruch gering, wohingegen Siliziumdioden, zum Beispiel Silizium-TVS (transient voltage suppressors), einen signifikanten Leckstrom direkt nach einer Erholung vom Lawinendurchbruch zeigen.
Die Schaltvorrichtung 510 von 1A kann ein einziger Halbleiterschalter sein oder kann eine Vielzahl von Halbleiterschaltern umfassen, die miteinander elektrisch parallel verbunden sind. Die elektrische Baugruppe 500 kann ferner Komponenten umfassen, zum Beispiel herkömmliche Si-FWDs, zum Dissipieren von vorübergehend in induktiven Lasten gespeicherter Energie und/oder Schottky-Dioden, um einen besseren Kompromiss zwischen Rauschen und Erholungsstrom zu erzielen.
In 3A umfasst eine elektrische Baugruppe 500 einen Si-IGBT 511 mit einer Kollektorelektrode C, die mit dem ersten Lastanschluss L1 elektrisch verbunden ist, und einer Emitterelektrode E, die mit dem zweiten Lastanschluss L2 elektrisch verbunden ist. Ein an einen Gateanschluss G angelegtes Signal schaltet den Si-IGBT 511 ein und aus. Eine Kathodenelektrode K der Klemmdiode 560 ist mit der ersten Lastelektrode L1, mit der Kollektorelektrode C oder mit beiden direkt elektrisch verbunden. Eine Anodenelektrode A der Klemmdiode 560 ist mit dem zweiten Lastanschluss L2, mit der Emitterelektrode E oder mit beiden direkt elektrisch verbunden. Die Klemmdiode 560 ist eine Lawinendiode mit einem auf SiC basierenden Halbleiterkörper und einer Lawinendurchbruchspannung unterhalb des maximalen Durchbruchspannungswerts des Si-IGBT 511.
In 3B umfasst die elektrische Baugruppe 500 ferner eine Freilaufdiode 519. Die Freilaufdiode 519 kann eine Siliziumdiode mit einer höheren Durchbruchspannung als die Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode 560 sein. Die Freilaufdiode 519 kann Teil einer Kommutierungsschaltung sein, die einen weiteren Halbleiterschalter umfassen kann, der mit der elektrischen Baugruppe 500 elektrisch in Reihe angeordnet ist.
Eine Kathodenelektrode KF der Freilaufdiode 519 ist mit zumindest einer bzw. einem der Kathodenelektrode C, der Kathodenelektrode K der Klemmdiode 560 und des ersten Lastanschlusses L1 direkt elektrisch verbunden. Ein Anodenanschluss AF der Freilaufdiode 519 ist mit zumindest einer bzw. einem der Emitterelektrode E, der Anodenelektrode A der Klemmdiode 560 oder des zweiten Lastanschlusses L2 direkt elektrisch verbunden.
Wenn der Si-IGBT 511 in einem Aus-Zustand ist, kann die Freilaufdiode 519 in einem Durchlassmodus arbeiten, wenn eine induktive Last die Polarität der Spannung über die ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2 umkehrt bezüglich der Polarität der Spannung über die ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2, wenn der Si-IGBT 511 im Ein-Zustand ist.
Wie die Freilaufdiode 519 leitend ist, kann ein Kommutierungsstrom zwischen der Freilaufdiode 519 und der Klemmdiode 560 aufgeteilt werden.
Die Freilaufdiode 519 kann ausgewählt werden, um eine niedrige Durchlassspannung zu erreichen, so dass die elektrische Baugruppe 500 sowohl geringe ohmsche Verluste während einer Kommutierung als auch ein steiles Klemmverhalten zeigt, das durch die Charakteristiken der SiC-Klemmdiode 560 definiert ist.
Außerdem leitet die Freilaufdiode 519 typischerweise periodisch, und der Durchlassstrom heizt die Freilaufdiode 519 auf. Stattdessen bricht die Klemmdiode 560 typischerweise nur ausnahmsweise durch. Daher kann die Klemmdiode 560 mit einem kleineren aktiven Gebiet zum Aushalten des gleichen Lawinenstroms vorgesehen sein.
Ein bipolarer Strom durch die Klemmdiode 560 erzeugt ein dichtes Ladungsträgerplasma, worin signifikante Rekombination stattfindet. In SiC kann die während einer Rekombination freigesetzte Energie das Kristallgitter lokal beschädigen, so dass ein bipolarer Strom die SiC-Klemmdiode stetig verschlechtert. In Kombination mit der Freilaufdiode 519 kann die SiC-Klemmdiode 560 so ausgewählt werden, dass ein bipolarer Strom durch die SiC-Klemmdiode 560 vermieden werden kann.
3C zeigt die Durchlasscharakteristik 451 der Freilaufdiode 519 und die Durchlasscharakteristik 452 der SiC-Klemmdiode 560 von 5A gemäß einer Ausführungsform mit einem nominalen Durchlassstrom der Freilaufdiode 519, der so ausgewählt ist, dass die resultierende Durchlassspannung VFnom niedriger als eine minimale Spannung VFmin ist, bei der die SiC-Klemmdiode von dem unipolaren leitenden Modus, in welchem nur ein Typ von Ladungsträgern fließt, in einem bipolaren leitenden Modus wechselt, in welchem beide Arten von Ladungsträgern fließen. Zu verhindern, dass die SiC-Klemmdiode 560 in den bipolaren leitenden Modus wechselt, vermeidet gleichzeitig eine Verschlechterung der SiC-Klemmdiode 560.
In 3D ist die Schaltvorrichtung 510 ein IGFET 512, dessen interne Body-Diode 512a als Freilaufdiode effektiv sein kann.
In 3E ist die Schaltvorrichtung 510 ein RC-IGBT 511, dessen rückwärts leitende Diode 511a als Freilaufdiode effektiv sein kann.
In 3F umfasst die Freilaufdiode 519 von 2B eine Si-PND (Silizium-pn-Diode) 519x sowie eine SiC-SBD (Silicon carbide Schottky barrier diode bzw. Siliziumcarbid-Schottky-Barrieren-Diode) 519y. Die Si-PND 519x leidet typischerweise an einem großen Erholungsstrom, der aus Ladungsträgern resultiert, die in der Diode während des Durchlassleitungsmodus gespeichert und entladen werden, wenn der Si-IGBT 511 einschaltet. Der große Erholungsstrom hat hohe Schaltverluste zur Folge. Auf der anderen Seite ist die Si-SBD 519y eine unipolare Vorrichtung mit einem sehr niedrigen Erholungsstrom. Ein zu niedriger Erholungsstrom kann jedoch scharfe Änderungen des Laststroms zur Folge haben, die in Kombination mit Kapazitäts- und Induktivitätskomponenten Rauschen in der Lastschaltung induzieren können. Eine Freilaufdiode, die die Si-PND 519x und die SiC-SBD 519y umfasst, ermöglicht ein Optimieren eines Kompromisses zwischen Rauschen und Erholungsstrom. Der Kompromiss kann eingestellt werden, indem ein geeignetes Gebiet- bzw. Flächenverhältnis zwischen der Si-PND 519x und der SiC-SBD 519y für den Durchlassleitungsmodus ausgewählt wird. Die SiC-SBD 519a reduziert Erholungsverluste. Im Gegensatz dazu schützt die Klemmdiode 560 den Si-IGBT 511, die SiC-SBD 519y und die Si-PND 519x gegen Überspannung.
Im Sperrmodus der SiC-SBD 519y ist das höchste elektrische Feld an der Metall-Halbleitergrenzfläche so effektiv, dass Ladungsträger direkt in den Halbleiterkörper 100 gelangen, ohne Elektron/Lochpaare zu erzeugen. Die SiC-SBD 519y bricht durch bzw. sperrt, ohne dass das Lawinenphänomen auftritt. Als Konsequenz bleibt der Rückwärts- bzw. Sperrstrom vergleichsweise niedrig, und die SiC-SBD 519y kann den Si-IGBT 511 nicht gegen Überspannung schützen, selbst wenn die SiC-SBD 519y eine niedrigere Durchbruchspannung aufwiese. Stattdessen erzeugt in der Klemmdiode 560 der Lawinendurchbruch Elektron/Lochpaare, so dass der Sperrstrom hoch ist und die Klemmdiode 560 den Si-IGBT 511 wirksam gegen Überspannung schützt.
In 3G umfasst die elektrische Baugruppe 500 eine Vielzahl von Halbleiterschaltern, die miteinander elektrisch parallel verbunden sind, zum Beispiel zwei, drei oder mehr Si-IGBTs 511a, 511b, 511c, .... Mit jedem Si-IGBT 511a, 511b, 511c, ... kann eine Freilaufdiode 519a, 519b, 519c, ... elektrisch parallel verbunden sein. Eine einzige Klemmdiode 560 kann mit den zwei, drei oder mehr Si-IGBTs 511a, 511b, 511c, ... elektrisch parallel verbunden sein. Die elektrische Baugruppe 500 kann in einem IHM (IGBT-Hochleitungsmodul) integriert sein, das für Lastströme von 500 A bis 4 kA ausgelegt ist. Ein Gehäuse 590 kann erste Sätze von Lastanschlüssen L1a, L1b, L1c, ... umfassen, die den einzelnen Si-IGBTs 511a, 511b, 511c, ... zugeordnet sind, und zweite Sätze von Lastanschlüssen L2a, L2b, L2c, ..., die einzelnen Si-IGBTs 511a, 511b, 511c, ... zugeordnet sind. Die elektrische Baugruppe 500 kann der High-Side-Teil oder der Low-Side-Teil einer Halbbrückenschaltung sein.
In 4A zeigt eine I/V-Charakteristik 431 eines Si-IGBT einen maximalen Durchbruchspannungswert V_BR, und eine I/V-Charakteristik 432 einer SiC-Klemmdiode einer Schaltbaugruppe zeigt eine Lawinendurchbruchspannung V_AV, die zumindest 10% niedriger als V_BR ist, in einem Strombereich, für welchen der Si-IGBT genutzt werden soll, zum Beispiel für Ströme bis zu 20 A, 100 A oder 200 A. In einem annähernd linearen Abschnitt der I/V-Charakteristik 432 der SiC-Klemmdiode durch den maximalen Laststromwert Imax beträgt ein Verhältnis ΔV/ΔI höchstens 2 V/A für eine aktive Diodenfläche von 2,5 mm² in einem steilen Abschnitt der I/V-Charakteristik, wobei der steile Abschnitt als der Teil der I/V-Charakteristik jenseits einer Stromdichte von 40 A/cm² oder mit einer Steigung einer Stromdichte pro Volt von mindestens 1 mA/mm²/V definiert sein kann.
4B zeigt die I/V-Charakteristik 431 des Si-IGBT von 4A und die I/V-Charakteristik 433 einer SiC-SBD. Die I/V-Charakteristik 433 der Si-SBD ist signifikant flacher als die I/V-Charakteristik 432 der Klemmdiode gemäß den vorliegenden Ausführungsformen. Selbst wenn die Si-SBD bei einer Spannung ähnlich V_AV von 4A durchzubrechen bzw. zu sperren beginnt, kann die Spannung über die SiC-SBD auf über die Durchbruchspannung V_BR des Si-IGBT ansteigen, so dass die SiC-SBD den Si-IGBT nicht sicher vor einer Zerstörung durch Überspannungsereignisse schützen kann, da in der SiC-SBD ein Durchbruch in einem Übergangsabschluss stattfindet oder die Schottky-Barriere durchbricht.
Die Klemmdiode 560 nutzt den Lawinendurchbruch, um die Spannung über die Schaltvorrichtung 510 zu begrenzen. Typischerweise sind SiC-Dioden dafür ausgelegt, Anforderungen betreffend den Durchgangswiderstand und Schaltverluste zu erfüllen. Falls ein Lawinendurchbruch stattfindet, tritt er in einem Randbereich eines Halbleiterkörpers der SiC-Diode auf, so dass der gesamte Lawinenstrom nur in einem vergleichsweise kleinen Abschnitt des Halbleiterkörpers fließt. Der Halbleiterkristall kann lokal überhitzen und kann irreversibel beschädigt werden.
In 4C zeigt Kurve 431 die I/V-Charakteristik einer Silizium-Klemmdiode bei T = 25 Grad Celsius und Kurve 432 die I/V-Charakteristik der gleichen Diode bei einer maximalen Betriebstemperatur. Die Silizium-Klemmdiode kann genutzt werden, um eine Schaltvorrichtung mit einem maximalen Durchbruchspannungswert VBRIGBT1 zu schützen.
4D zeigt äquivalente Kurven 441, 442 für eine SiC-Klemmdiode bei T = 25 Grad Celsius und bei der maximalen Betriebstemperatur. Die geringere Verschiebung der I/V-Charakteristik mit zunehmender Temperatur hat zur Folge, dass die Schaltvorrichtung mit einem geringeren maximalen Durchbruchspannungswert VBRIGBT2 ausgewählt werden kann. Typischerweise kann ein IGBT mit einem geringeren maximalen Durchbruchspannungswert mit geringeren Leitungs- und Schaltverlusten realisiert werden.
5A zeigt eine Klemmdiode 560, die dafür eingerichtet ist, wiederholte Lawinendurchbrüche in typischen Anwendungen zur Leistungsumwandlung und Motorsteuerung auszuhalten.
Eine Metallanode 310 grenzt direkt an eine erste Oberfläche 101 an einer Vorderseite eines Halbleiterkörpers 100. Die Metallanode 310 kann eine Schottky-Barrierenschicht 311 eines ersten Metalls und eine Kontaktschicht 312 eines zweiten Metalls umfassen. Die Metallanode 310 bildet einen Anodenanschluss A oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden.
Ein Kathodenmetall 320 grenzt direkt an eine zweite Oberfläche auf der der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegenden Rückseite. Eine laterale äußere Oberfläche 103, die gegen die erste und zweite Oberfläche 101, 102 geneigt ist, verbindet die ersten und zweiten Oberflächen 101, 102. Die Metallkathode 320 bildet einen Kathodenanschluss K oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden und grenzt direkt an einen hoch n-dotierten Kathodenbereich 129, der einen ohmschen Kontakt mit der Metallkathode 320 bildet.
Zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem Kathodenbereich 129 kann der Halbleiterkörper 100 eine geringfügig oder durchschnittlich n-dotierte Driftzone 121 und Feld formende Strukturen 130 umfassen. Falls eine Rückwärts- bzw. Sperrspannung zwischen der Metallanode 310 und der Metallkathode 320 angelegt wird, formen die Feld formenden Strukturen 130 das elektrische Feld derart, dass die maximale elektrische Feldstärke in einem von der ersten Oberfläche 101 entfernten Bereich vorliegt. Der Halbleiterkörper 100 kann auch hoch p-dotierte Anodenzonen in ohmschem Kontakt mit der Metallanode 310 umfassen.
In einem zentralen Bereich 610 grenzen sowohl die Metallanode 310 als auch die Metallkathode 320 direkt an den Halbleiterkörper 100, und der Halbleiterkörper 100 ist zwischen der Metallanode 310 und der Metallkathode 320 sandwichartig angeordnet. Im zentralen Bereich 610 fließt ein Durchlassstrom I_Fwd in einer vertikalen Richtung durch den Halbleiterkörper 100. In einem Abschlussbereich 690, der den zentralen Bereich 610 von der äußeren Oberfläche 103 trennt, trennt ein Zwischenschichtdielektrikum 210 die Metallanode 310 vom Halbleiterkörper 100. Im Abschlussbereich 690 hat ein Durchlassstromvektor eine Komponente horizontal zur ersten Oberfläche 101, und es gelangen keine Ladungsträger durch die erste Oberfläche 101.
Die Klemmdiode 560 gemäß den Ausführungsformen begrenzt den Lawinendurchbruch innerhalb des zentralen Bereichs 610. Da der zentrale Bereich 610 vergleichsweise homogen ist, kann sich der Lawinenstrom schnell über den gesamten zentralen Bereich 610 verteilen. Eine lokale Überhitzung kann vermieden werden, und die Klemmdiode 560 zeigt eine ausreichende Lawinenfestigkeit gegen wiederholte, periodische Lawinendurchbrüche.
Wenn in SiC-SBDs die Sperrspannung hoch genug ist, so dass das elektrische Feld im Halbleiterkörper 100 mit der Metall-Halbleitergrenzfläche überlappt, unterstützt das elektrische Feld den Übergang von Ladungsträgern von der Metallanode 310 in den Halbleiterkörper 100. In typischen Schottky-Dioden liegt die maximale elektrische Feldstärke an der Metall-Halbleitergrenzfläche an der Anodenseite. Daher leiden Si-SBDs an einem vergleichsweise hohen Leckstrom. Stattdessen formen in den Halbleiterkörpern 100 der Klemmdioden 560 der vorliegenden Ausführungsformen die Feld formenden Strukturen 130 das elektrische Feld derart, dass die maximale elektrische Feldstärke in einer Distanz zur Metallanode 310 auftritt.
5B zeigt Schottky-Kontakte SC, die regelmäßig angeordnete, getrennte hexagonale Rahmen im zentralen Bereich 610 bilden. Anodenzonen von MPS-Dioden oder andere Feld formende Strukturen 130 können zwischen und/oder innerhalb der hexagonalen Rahmen ausgebildet sein. Ein Abschlussbereich 690 ist frei von Schottky-Kontakten SC und kann eine JTE (Junction- bzw. Übergangsabschlussausdehnung) 691 umfassen. Für Klemmdioden mit Anodenzonen kann die JTE 691 eine oder mehrere Zonen mit einer niedrigeren Netto-Dotierstoffkonzentration als die Anodenzonen umfassen. Die maximale elektrische Feldstärke tritt im zentralen Bereich 610 auf.
Die Ausführungsformen der 6A bis 6C beziehen sich auf Feld formende Strukturen 130, die das elektrische Feld auf eine Weise formen, dass die maximale elektrische Feldstärke in einer Distanz zur Metallanode 310 vorliegt.
6A zeigt den zentralen Bereich einer MPS-Diode 561. Die Feld formenden Strukturen 130 sind isolierte Anodenzonen 132, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die Driftzone 121 erstrecken. Die Anodenzonen 132 bilden pn-Übergänge pn0 mit der Driftzone 121. Die Anodenzonen 132 können streifenförmig sein mit einer horizontalen Abmessung, die die zweite horizontale Abmessung, die zur ersten horizontalen Abmessung orthogonal ist, signifikant übersteigt, können eher punktförmig sein, wobei beide horizontale Abmessungen innerhalb der gleichen Größenordnung liegen, oder können ein hexagonales Gitter bilden. Zwischen benachbarten Anodenzonen 132 grenzen Abschnitte der Driftzone 121 direkt an eine Metallanode 310 und bilden Schottky-Kontakte SC mit der Metallanode 310.
Im in Durchlassrichtung vorgespannten Modus liefern die Schottky-Kontakte SC einen unipolaren Durchlassstrom, der eine niedrige Umkehr-Erholungsladung zur Folge hat. In dem in Sperrrichtung vorgespannten Modus schnüren vertikale pn-Übergänge zwischen der Driftzone 121 und den Anodenzonen 132 die Schottky-Kontakte SC ab, wie durch die Form der Verarmungszone 115 angezeigt ist. Als Konsequenz erscheint die maximale Feldstärke E_max in einer Distanz d_AV zur ersten Oberfläche 101. Mit zunehmender Sperrspannung approximiert die maximale elektrische Feldstärke E_max die Lawinenfeldstärke, und ein Lawinendurchbruch beginnt im Halbleiterkörper 100 in einer Distanz zur ersten Oberfläche 101.
In 6B umfassen die Feld formenden Strukturen 130 einer TMBS-Diode 562 polykristalline Siliziumstopfen bzw. -stöpsel 134, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Horizontale Querschnitte der Polysiliziumstopfen 134 können punktförmig, streifenförmig sein oder ein Gitter bilden. Eine Isolatorschicht 135 isoliert die Polysiliziumstopfen 134 komplett vom Halbleiterkörper 100. Schottky-Kontakte SC sind zwischen benachbarten Polysiliziumstopfen 134 ausgebildet.
Wenn die TMBS-Diode 562 in Sperrrichtung vorgespannt ist, verarmt das Anodenpotential der Polysiliziumstopfen 134 angrenzende Abschnitte der Driftzone 121. Mit zunehmender Sperrvorspannung überlappen Verarmungsbereiche benachbarter Stopfen 134. Der resultierende Verarmungsbereich 115 schnürt die Schottky-Kontakte SC ab und unterdrückt einen an den Schottky-Kontakten SC induzierten Leckstrom. Die elektrische Feldstärke hat ein Maximum E_max in einer Distanz d_AV zur ersten Oberfläche 101.
6C bezieht sich auf eine TOPS-Diode 563 mit Feld formenden Strukturen 130, die leitfähige Stopfen 134 umfassen, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die Driftzone 121 erstrecken. Isolatorstrukturen 135 kleiden vertikale Seitenwände der leitfähigen Stopfen 134 aus. In der vertikalen Projektion der leitfähigen Stopfen 134 bilden getrennte, hoch p-dotierte Anodenzonen 132 pn-Übergänge pn0 mit einer Driftzone 121. Die Isolatorstrukturen 135 verhindern die Diffusion von Dotierstoffen vom p-Typ in einer lateralen Richtung und unterstützen die Ausbildung der Anodenzonen 132 in einer Distanz zur ersten Oberfläche 101. Schottky-Kontakte SC werden zwischen benachbarten Polysiliziumstopfen 134 ausgebildet. Die maximale elektrische Feldstärke E_max tritt in einer Distanz d_AV zur ersten Oberfläche 101 auf.
In 6D umfasst ein Halbleiterkörper 100 einer SiC-IDEE-Diode 564, die als Klemmdiode genutzt wird, Anodenzonen 132 und entgegengesetzt dotierte Kanäle 138 zwischen den Anodenzonen 132. Hochdotierte Kanalkontaktzonen 137 des Leitfähigkeitstyps der Kanäle 138 bilden ohmsche Kontakte mit der Metallanode 310. Dotierstoffkonzentrationen und Abmessungen der Anodenzonen 132 und der Kanäle 138 sind so ausgewählt, dass ein elektrisches Feld die Kanäle 138 in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand der Klemmdiode 560 vollständig von mobilen Ladungsträgern verarmt.
In 6E umfasst ein Halbleiterkörper 100 einer SiC-Pin-Diode 565, die als Klemmdiode 560 genutzt wird, eine Anodenzone 132, die einen pn-Übergang pn0 mit einer leicht n-dotierten Driftzone 121 bildet. Eine n-dotierte Feldstoppschicht 128 mit einer Netto-Dotierstoffkonzentration, die eine mittlere Netto-Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 zumindest fünfmal übersteigt, kann zwischen der Driftzone 121 und dem Kathodenbereich 129 sandwichartig angeordnet sein. Die laterale Ausdehnung der Anodenzone 132 definiert einen Vorrichtungsbereich. Innerhalb des Vorrichtungsbereichs sind die Anodenzone 132, die Feldstoppzone 128 und die Driftzone 121 außerhalb eines oder mehrerer Pinning-Bereiche 139 lateral homogen. Innerhalb des Pinning-Bereichs 139 ist die Lawinendurchbruchspannung lokal verringert. Beispielsweise kann in dem Pinning-Bereich 139 die Anodenzone 132 einen höher dotierten Abschnitt enthalten, kann die Driftzone 121 einen höher dotierten Abschnitt enthalten und/oder eine vertikale Ausdehnung der Feldstoppschicht 128 kann variiert sein. Ein Lawinendurchbruch beginnt im Pinning-Bereich 139 und breitet sich in den Vorrichtungsbereich aus. Beispielsweise können im Pinning-Bereich 139 die Feldstoppschicht 128 und/oder die Anodenzone 132 sich lokal tiefer in die Driftzone 121 als außerhalb des Pinning-Bereichs 139 erstrecken.
7 bezieht sich auf eine elektrische Baugruppe 500, die einen Komponententräger 590 umfasst, welcher eine PCB sein kann. Eine Klemmdiode 560 ist so nah wie möglich zu einem Si-IGBT 511 angeordnet, so dass eine parasitäre Induktivität, die zwischen der Klemmdiode 560 und dem Si-IGBT 511 und einer Freilaufdiode 519 wirksam ist, so niedrig wie möglich ist. Beispielsweise sind die Kathode K der Klemmdiode 560, die Kathode KF der Freilaufdiode 519 und der Kollektor C des Si-IGBT 511 durch eine leitfähige Platte direkt verbunden, so dass annähernd keine Induktivität zwischen der Kathode K der Klemmdiode 560 und dem Kollektor C des Si-IGBT 511 wirksam ist. Leiter auf einer Platine können die Kollektorelektrode C des Si-IGBT 511 mit dem ersten Lastanschluss L1 elektrisch verbinden und bilden eine erste parasitäre Induktivität Lpar1. Verbindungs- bzw. Bonddrähte können die Emitterelektrode E des Si-IGBT 511 mit dem zweiten Lastanschluss L2 elektrisch verbinden und können eine zweite parasitäre Induktivität Lpar2 bilden.
Ein Spannungsabfall über einen Bonddraht oder einen anderen Verbinder zwischen dem Anodenanschluss A der Klemmdiode 560 und dem zweiten Lastanschluss L2 kann für eine Rückkopplungsschaltung 580 wie in 8A und 8B veranschaulicht genutzt werden.
In 8A und 8B umfasst eine elektrische Baugruppe 500 eine Halbleiterschaltvorrichtung, zum Beispiel einen Si-IGBT 511, der einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse L1, L2 in einem Aus-Zustand standhält. Eine Klemmdiode 560 ist mit den beiden Lastanschlüssen L1, L2 und parallel mit der Schaltvorrichtung elektrisch verbunden. Eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode 560 ist niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung. Eine Freilaufdiode 519 kann mit der Klemmdiode 560 elektrisch parallel verbunden sein.
Beispielsweise besteht ein Halbleiterkörper der Klemmdiode 560 aus kristallinem Silizium und kann Anodenzonen und entgegengesetzt dotierte Kanäle zwischen den Anodenzonen umfassen. Dotierstoffkonzentrationen und Abmessungen der Anodenzonen und der Kanäle sind so ausgewählt, dass die Kanäle in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand der Klemmdiode 560 von mobilen Ladungsträgern vollständig verarmt sind. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Klemmdiode 560 eine beliebige der oben diskutierten SiC-Dioden.
Falls in 8A die Klemmdiode 560 im Lawinendurchbruch leitend wird, kann der ansteigende Strom über einen Bonddraht oder einen leitfähigen Pfad genutzt werden, um das Potential an der Gateelektrode G des Si-IGBT 511 zu erhöhen. Der Si-IGBT 511 kann teilweise leitfähig werden, so dass ein Teil der von der Überspannung bereitgestellten Leistung im Si-IGBT 511 dissipiert wird.
Zu diesem Zweck verbindet ein Rückkopplungspfad 582 eine Anodenelektrode A der Klemmdiode 560 mit einem Steuerelement 581, das mit der Gateelektrode G des Si-IGBT 511 elektrisch verbunden ist. Das Steuerelement 581 empfängt ein Potential über eine Rückkopplungsimpedanz 585, die zwischen die Anodenelektrode A und den zweiten Lastanschluss L2 geschaltet ist, wobei das Steuerelement 511 die Induktivität der Rückkopplungsimpedanz 585, den Widerstand oder beide berücksichtigen kann. Das Steuerelement 581 kann eine spannungsgesteuerte Spannung, eine Stromquelle oder eine Gate-Treiberschaltung sein, welche durch ein an einen Steuereingang angelegtes Signal gesteuert werden kann. Die Rückkopplungsimpedanz 585 kann ein Bonddraht, ein leitfähiger Pfad auf einer Platine, ein separates Element oder eine beliebige Kombination davon sein. Da ein Teil des Klemmstroms in dem Si-IGBT 511 dissipiert wird, muss die Klemmdiode 560 einen geringeren Lawinenstrom übertragen bzw. transportieren und kann eine kleinere Kontur als ohne die Rückkopplungsschaltung 580 aufweisen.
In 8B empfängt und wertet das Steuerelement 581 ein Potential über eine ohmsche Rückkopplungsimpedanz 585 aus.
In 9A und 9B umfassen elektrische Baugruppen 500 eine Trägerplatine 599, z. B. eine PCB (Leiterplatine) oder eine DCB-(direkt kupfergebondete)Platine. Zumindest eine erste Leiterstruktur 591 und eine zweite Leiterstruktur 592 sind auf einer Montageoberfläche der Trägerplatine 599 ausgebildet. Die erste Leiterstruktur 591 bildet einen ersten Lastanschluss L1 oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden. Die zweite Leiterstruktur 592 bildet einen zweiten Lastanschluss L2 oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden. Die ersten und zweiten Leiterstrukturen 591, 592 können Kupferpads bzw. -Kontaktstellen oder Kupferstreifen sein.
Ein Si-IGBT 511, eine Freilaufdiode 519 und eine Klemmdiode 560 sind auf der ersten Leiterstruktur 591 montiert, zum Beispiel gelötet oder nebeneinander gebondet, wobei die Kathoden der Freilaufdiode 519 und der Klemmdiode 560 sowie der Kollektor des Si-IGBT 511 die erste Leiterstruktur 591 direkt kontaktieren. Bondverdrahtungen 586 verbinden den freigelegten Anodenanschluss AF der Freilaufdiode 519 und den freigelegten Anodenanschluss A der Klemmdiode 560 elektrisch mit der zweiten Leiterstruktur 592.
In 9A bildet die Bondverdrahtung 586 zwischen der Klemmdiode 560 und der zweiten Leiterstruktur 592 einen Teil der Rückkopplungsimpedanz 585 von 8A. Die Rückkopplungsimpedanz kann erhöht werden, indem die Anzahl an Bonddrähten in der Bondverdrahtung 586 zwischen der Klemmdiode 560 und der zweiten Leiterstruktur 592 reduziert wird oder indem die Bonddrähte verlängert werden.
In 9B kann eine Schleife 587 in der zweiten Leiterstruktur 592 zwischen dem Si-IGBT 511 und der Klemmdiode 560 die Rückkopplungsimpedanz 585 erhöhen.
10 nimmt Bezug auf einen Abschnitt einer elektronischen Baugruppe 600, die beispielsweise ein Motorantrieb, ein geschaltetes Netzteil, eine Primärstufe eines geschalteten Netzteils, ein synchroner Gleichrichter, eine Primärstufe eines DC-AC-Wandlers, eine Sekundärstufe eines DC-AC-Wandlers, eine Primärstufe eines DC-DC-Wandlers oder ein Teil eines Wandlers für Solarleistung sein kann.
Die elektronische Baugruppe 600 kann zwei identische elektrische Baugruppen 500 wie oben beschrieben umfassen, die als Low-Side-Schalter und High-Side-Schalter in einer Halbbrückenkonfiguration angeordnet sind. Die elektrischen Baugruppen 500 können IGBTs 511 mit parallelen Klemmdioden 560 umfassen, und die Lastpfade der beiden elektrischen Baugruppen 500 sind zwischen einen ersten Versorgungsanschluss A und einen zweiten Versorgungsanschluss B elektrisch in Reihe geschaltet. Die Versorgungsanschlüsse A, B können eine DC-(Gleichstrom-)Spannung oder eine AC-(Wechselstrom-)Spannung bereitstellen. Ein dazwischenliegender Netzwerkknoten NN zwischen den beiden elektrischen Baugruppen 500 kann beispielsweise mit einer induktiven Last LD, welche eine Wicklung eines Transformators oder eine Motorwicklung sein kann, oder mit einem Referenzpotential einer elektronischen Schaltung elektrisch verbunden sein.
Die elektronische Baugruppe 600 kann ein Motorantrieb sein, wobei die elektrischen Baugruppen 500 in einer Halbbrückenkonfiguration elektrisch angeordnet sind, der Netzwerkknoten NN mit einer Motorwicklung elektrisch verbunden ist und die Versorgungsanschlüsse A, B eine Gleichspannung bereitstellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die elektronische Baugruppe 600 eine primärseitige Stufe eines geschalteten Netzteils sein, wobei die Versorgungsanschlüsse A, B eine Wechselspannung einer Eingangsfrequenz der elektronischen Baugruppe 600 bereitstellen. Der Netzwerkknoten NN ist mit einer Primärwicklung eines Transformators elektrisch verbunden.
Die elektronische Baugruppe 600 kann ein synchroner Gleichrichter eines geschalteten bzw. Schaltnetzteils sein, wobei die Versorgungsanschlüsse A, B mit einer Sekundärwicklung des Transformators verbunden sind und der Netzwerkknoten NN mit einem Referenzpotential einer elektronischen Schaltung an der Sekundärseite des geschalteten Netzteils elektrisch verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die elektronische Baugruppe 600 eine primärseitige Stufe eines DC-DC-Wandlers, zum Beispiel eines Leistungsoptimierers oder eines Mikro-Inverters für Anwendungen sein, die Photovoltaikzellen einschließen, wobei die Versorgungsanschlüsse A, B eine Gleichspannung der elektronischen Baugruppe 600 bereitstellen und der Netzwerkknoten NN mit einem induktiven Speicherelement elektrisch verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die elektronische Baugruppe 600 eine sekundärseitige Stufe eines DC-DC-Wandlers, zum Beispiel eines Leistungsoptimierers oder eines Mikro-Inverters für Anwendungen sein, die Photovoltaikzellen einschließen, wobei die elektronische Baugruppe 600 eine Ausgangsspannung den Versorgungsanschlüssen A, B bereitstellt und wobei der Netzwerkknoten NN mit dem induktiven Speicherelement elektrisch verbunden ist.
11 bezieht sich auf ein IGBT-Modul 700, das die elektronische Baugruppe 600 von 9 enthält. Das IGBT-Modul 700 kann ferner eine Steuerschaltung 710 umfassen, die dafür eingerichtet ist, ein Steuersignal zum abwechselnden Ein- und Ausschalten der elektronischen Baugruppe 600 bereitzustellen, und einen Gatetreiber 720, der durch die Steuerschaltung 710 gesteuert wird und mit Gateanschlüssen der elektronischen Baugruppe 600 elektrisch verbunden ist.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims

Elektrische Baugruppe, umfassend: eine Halbleiterschaltvorrichtung (510), die dafür eingerichtet ist, einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse (L1, L2) in einem Aus-Zustand standzuhalten; und eine Klemmdiode (560), die mit den beiden Lastanschlüssen (L1, L2) und parallel mit der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei ein Halbleiterkörper (100) der Klemmdiode (560) aus Siliziumcarbid besteht und eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode (560) niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung (510) ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Klemmdiode (560) dafür eingerichtet ist, zumindest 400 eines maximalen Langzeit-Laststromwertes der Schaltvorrichtung (510) für zumindest 10 ns auszuhalten.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Klemmdiode (560) einen pn-Übergang (pn0) aufweist, der zwischen einer Metallanode (310) und einer Metallkathode (320) wirksam ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Klemmdiode (560) Feld formende Strukturen (130) aufweist, die so eingerichtet sind, dass in einem Sperrmodus der Klemmdiode (560) eine elektrische Feldstärke einen maximalen Wert in einer Distanz zu einer Metall-Halbleitergrenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper (100) und einer Metallanode (310) der Klemmdiode (560) aufweist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 4, wobei die Klemmdiode (560) einen Schottky-Kontakt (SC) aufweist, der zwischen dem Halbleiterkörper (100) und der Metallanode (310) wirksam ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Klemmdiode (560) einen zentralen Bereich (610) in einer vertikalen Projektion von sowohl einer Metallanode (310) als auch einer Metallkathode (320) sowie einen Abschlussbereich (690) aufweist, der den zentralen Bereich (610) umgibt, und wobei eine Durchbruchspannung im zentralen Bereich (610) niedriger als eine Durchbruchspannung im Abschlussbereich (690) ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Klemmdiode (560) eine Merged-Pin-Schottky-(MPS-)Diode (561) ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Klemmdiode (560) eine Graben-MOS-Barriere-Schottky-Diode (562) ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Klemmdiode (560) eine Graben-Oxid-Pin-(TOPS)Diode (563) ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Klemmdiode (560) eine Merged-Pin-Schottky-Diode (564) ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Klemmdiode (560) eine SiC-Pin-Diode (565) ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend: eine Freilaufdiode (519), die zwischen die beiden Lastanschlüsse (L1, L2) parallel zu der Schaltvorrichtung (510) und zu der Klemmdiode (560) geschaltet ist, wobei eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode (560) niedriger als eine Durchbruchspannung der Freilaufdiode ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 12, wobei die Freilaufdiode (519) eine Silizium-Pin-Diode (519x) umfasst.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 12 und 13, wobei die Freilaufdiode (519) eine Siliziumcarbid-Schottky-Diode (519y) umfasst.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner umfassend: zumindest eine weitere Halbleiterschaltvorrichtung, die parallel zur Schaltvorrichtung (510) elektrisch angeordnet ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Schaltvorrichtung (510) einen Silizium-Bipolartransistor mit isoliertem Gate (Si-IGBT) (511) umfasst.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, ferner umfassend: eine Rückkopplungsschaltung (580), die eine Anodenelektrode (A) der Klemmdiode (560) mit einer Gateelektrode (G) der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbindet, wobei die Rückkopplungsschaltung (580) dafür eingerichtet ist, eine Gatespannung an der Gateelektrode (G) mit zunehmendem Strom durch die in Sperrrichtung vorgespannte Klemmdiode (560) zu erhöhen.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 17, ferner umfassend: eine Rückkopplungsimpedanz (585), die zwischen die Anodenelektrode (A) der Klemmdiode (560) und den zweiten Lastanschluss (L1, L2) elektrisch geschaltet ist, wobei die Rückkopplungsschaltung (580) einen Rückkopplungspfad (582) umfasst, der die Anodenelektrode (A) der Klemmdiode (560) mit einem Steuerelement (581) elektrisch verbindet, das mit der Gateelektrode (G) der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei das Steuerelement (581) dafür eingerichtet ist, eine Gatespannung an der Gateelektrode (G) mit zunehmendem Strom durch die in Sperrrichtung vorgespannte Klemmdiode (560) zu erhöhen.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 18, wobei das Steuerelement (581) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die eine spannungssteuerbare Spannung, eine Stromquelle und eine Gate-Treiberschaltung umfasst.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode (560) niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung (510) für einen gesamten nominalen Temperaturbereich und für einen maximalen Stromwert der Schaltvorrichtung (510) ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode (560) mindestens 300 V beträgt.
Elektronische Baugruppe, umfassend: einen Low-Side-Schalter mit einer ersten elektrischen Baugruppe (500) und einen High-Side-Schalter mit einer zweiten elektrischen Baugruppe (500), wobei der Low-Side-Schalter und der High-Side-Schalter in einer Halbbrückenkonfiguration elektrisch angeordnet sind und zumindest eine der elektrischen Baugruppen (500) umfasst eine Halbleiterschaltvorrichtung (510), die dafür eingerichtet ist, einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse (L1, L2) in einem Aus-Zustand standzuhalten; und eine Klemmdiode (560), die mit den beiden Lastanschlüssen (L1, L2) und parallel mit der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei ein Halbleiterkörper (100) der Klemmdiode (560) aus Siliziumcarbid besteht und eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode (560) niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung (510) für einen nominalen Temperaturbereich der Schaltvorrichtung (510) ist.
Bipolartransistormodul mit isoliertem Gate, umfassend: eine Halbbrückenschaltung, die einen Low-Side-Schalter mit einer ersten elektrischen Baugruppe (500) und einen High-Side-Schalter mit einer zweiten elektrischen Baugruppe (500) umfasst, wobei zumindest eine der elektrischen Baugruppen (500) umfasst: eine Halbleiterschaltvorrichtung (510), die dafür eingerichtet ist, einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse (L1, L2) in einem Aus-Zustand standzuhalten; und eine Klemmdiode (560), die mit den beiden Lastanschlüssen (L1, L2) und parallel mit der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei ein Halbleiterkörper (100) der Klemmdiode (560) aus Siliziumcarbid besteht und eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode (560) niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung (510) für einen nominalen Temperaturbereich der Schaltvorrichtung (510) ist.
Bipolartransistormodul mit isoliertem Gate nach Anspruch 23, ferner umfassend: einen Gatetreiber (720), der mit Gateanschlüssen der elektrischen Baugruppen (500) elektrisch verbunden ist.
Elektrische Baugruppe, umfassend: eine Halbleiterschaltvorrichtung (510), die dafür eingerichtet ist, einem maximalen Durchbruchspannungswert über zwei Lastanschlüsse (L1, L2) in einem Aus-Zustand standzuhalten; eine Klemmdiode (560), die mit den beiden Lastanschlüssen (L1, L2) und parallel mit der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei eine Lawinendurchbruchspannung der Klemmdiode (510) niedriger als der maximale Durchbruchspannungswert der Schaltvorrichtung (510) ist; und eine Rückkopplungsschaltung (580), die eine Anodenelektrode (A) der Klemmdiode (560) mit einer Gateelektrode (G) der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbindet, wobei die Rückkopplungsschaltung (580) dafür eingerichtet ist, eine Gatespannung an der Gateelektrode (G) mit zunehmendem Strom durch die in Sperrrichtung vorgespannte Klemmdiode (560) zu erhöhen oder zu verringern.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 25, wobei ein Halbleiterkörper (100) der Klemmdiode (560) aus Siliziumcarbid besteht.