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Bipolare Hochvoltschaltvorrichtung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000017438D
Original Publication Date: 2001-Jan-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-22
Document File: 2 page(s) / 19K

Publishing Venue

Siemens

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Heinz Mitlehner: AUTHOR [+3]

Abstract

In der Leistungsschalttechnik werden schnelle Schaltelemente mit möglichst niedrigen statischen und dynamischen Verlusten gesucht, die mit geringem Aufwand anzusteuern sind. Derartige Leistungsbauelemente kommen z.B. als DC Schalter in Umrichtern für drehzahlveränderbare Antriebe zum Einsatz. Die niedrige Verlustleistung ermöglicht kompakte Geräte mit hohem Wirkungsgrad. Besonders bei hohen Sperrspannungen ist die Anforderung an niedrige Verluste und hohe Dynamik mit konventionell erhältlichen Si-Leistungsbauelementen nur bedingt realisierbar. Heute werden in Sperrspannungsbereichen oberhalb 1000V meistens Silizium-IGBTs mit einer Schwellspannung (ca.> 1V) in Durchlassrichtung eingesetzt. Bei hoch dynamischen Motorsteuerungen kommt es bei Verwendung bipolarer IGBTs zu einem deutlichen Leistungsderating auf Grund der Schaltverluste, verursacht durch die große bipolare Speicherladung in der für hohe Spannungen in Silizium notwendigerweise dicken Basiszone (z.B. 500 m m bei 6kV). Die Verwendung schneller, unipolarer Silizium-Leistungs-MOSFETs reduziert zwar die Schaltverluste drastisch, aber die Durchlassverluste bzw. der spezifische Einschaltwiderstand sind in den genannten Sperrspannungsbereichen beträchtlich und erfordern die Verwendung großer und damit teurer Chipflächen. Neue Entwicklungen können hier beträchtliche Verbesserungen erzielen, beispielsweise im Spannungsbereich < 1000V, mit einem CoolMOS Ô in Si-Technologie von Tihany (siehe DE 43 09 764 C2) oder im Spannungsbereich bis ca. 3,5 kV mit einem vertikalen J-FET in SiC-Technologie von Mitlehner et al. (siehe DE 195 48 443 A1 oder DE 198 33 214 C1).

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Bauelemente

Bipolare Hochvoltschaltvorrichtung

Idee: Heinz Mitlehner,Uttenreuth; Peter Friedrichs, Nürnberg;

Dietrich Stephani, Bubenreuth

In der Leistungsschalttechnik werden schnelle Schaltelemente mit möglichst niedrigen statischenund dynamischen Verlusten gesucht, die mit geringem Aufwand anzusteuern sind. DerartigeLeistungsbauelemente kommen z.B. als DC Schalter in Umrichtern für drehzahlveränderbareAntriebe zum Einsatz. Die niedrige Verlustleistung ermöglicht kompakte Geräte mit hohemWirkungsgrad. Besonders bei hohen Sperrspannungen ist die Anforderung an niedrige Verlusteund hohe Dynamik mit konventionell erhältlichen Si-Leistungsbauelementen nur bedingtrealisierbar.

Heute werden in Sperrspannungsbereichen oberhalb 1000V meistens Silizium-IGBTs mit einerSchwellspannung (ca.> 1V) in Durchlassrichtung eingesetzt. Bei hoch dynamischenMotorsteuerungen kommt es bei Verwendung bipolarer IGBTs zu einem deutlichenLeistungsderating auf Grund der Schaltverluste, verursacht durch die große bipolareSpeicherladung in der für hohe Spannungen in Silizium notwendigerweise dicken Basiszone (z.B.500� m� m bei 6kV). Die Verwendung schneller, unipolarer Silizium-Leistungs-MOSFETs reduziertzwar die Schaltverluste drastisch, aber die Durchlassverluste bzw. der spezifischeEinschaltwiderstand sind in den genannten Sperrspannungsbereichen beträchtlich und erforderndie Verwendung großer und damit teurer Chipflächen. Neue Entwicklungen können hierbeträchtliche Verbesserungen erzielen, beispielsweise im Spannungsbereich < 1000V, mit einemCoolMOS� Ô� � in Si-Technologie von Tihany (siehe DE 43 09 764 C2) oder im Spannungsbereichbis ca. 3,5 kV mit einem vertikalen J-FET in SiC-Technologie von Mitlehner et al. (siehe DE 19548 443 A1 oder DE 198 33 214 C1).

Im folgenden wird eine neuartige J-FET-Struktur vorgeschlagen, vorzugsweise in SiC-Technologie, die unter Ausnutzung der Leitfähigkeitsmodulation durch den bipolarenTransportmechanismus die Durchlassverluste in der Basiszone niedrig hält und in dervergleichsweise dünnen Basiszone ein schnelles Schalten erlaubt. Durch gezieltes Einstellen der(lokalen) Trägerlebensdauer kann die Leitfähigkeitsmodulation weiter optimiert werden. Imfolgenden wird das neue Bauelement BIFET genannt. Der BIFET liefert z.B. in Verbindung miteinem niedersperrenden MOSFET in einer Kaskodenschaltung ein verlustarmes, schnelles undkurzschlussfestes Schaltelement typischerweise für Sperrspannungen größer 3 kV. Diese untereSpannungsgrenze wird aus der Betrachtung der Gesamtverluste im Vergleich zu anderenBauelementen hergeleitet, wobei die durch den Bandabstand bestimm...