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Si-SiC-Kaskode mit integrierter potenzialgetrennter Signalübertragung und integrierter potenzialgetrennter Energieversorgung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000017677D
Original Publication Date: 2001-Jul-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-23
Document File: 7 page(s) / 143K

Publishing Venue

Siemens

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Wolfgang Clemens: AUTHOR [+4]

Abstract

Um Verbraucher (Lampen, Motoren, Ventile usw.), die an Spannungen > 100 V betrieben werden, mit Logiksignalen ( £ 5 V) aus z. B. speicherprogrammierbaren Steuerungen schalten zu können, werden mit Logiksignalen ansteuerbare Hochvoltschalter (Si-SiC-Kaskode) benötigt. Um zu vermeiden, dass Störungen von der Hochvoltseite (Verbraucher) auf die Niedervoltseite (Logik) eingekoppelt werden, die eine Störung bzw. eine Zerstörung der Steuerung zur Folge haben können, müssen die Ansteuerung des Hochvoltschalters sowie die Spannungsversorgung der auf der Hochvoltseite befindlichen Ansteuerschaltung potenzialgetrennt erfolgen. Bisher wird die Ansteuerung (Signalübertragung) und die Energieversorgung der Ansteuerelektronik auf der Hochvoltseite des Schalters mit diskreten Optokopplern für die Signalübertragung und separatem DC/DC-Wandler für die Energieübertragung realisiert. Diese Optokoppler werden aus LEDs (Drei-Fünf-Verbindungen) und Foto-Dioden (Silizium-Technologie) zusammengesetzt.

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Bauelemente

Si-SiC-Kaskode mit integrierter potenzialgetrennter Signalübertragungund integrierter potenzialgetrennter Energieversorgung

Idee: Wolfgang Clemens, Puschendorf; Jens Hauch, Erlangen; Heinz Mitlehner,

Uttenreuth, Dieter Munz, Höchstadt

Um Verbraucher (Lampen, Motoren, Ventile usw.), die an Spannungen > 100 V betriebenwerden, mit Logiksignalen (  £   5 V) aus z. B. speicherprogrammierbaren Steuerungen schalten zukönnen, werden mit Logiksignalen ansteuerbare Hochvoltschalter (Si-SiC-Kaskode) benötigt.Um zu vermeiden, dass Störungen von der Hochvoltseite (Verbraucher) auf die Niedervoltseite(Logik) eingekoppelt werden, die eine Störung bzw. eine Zerstörung der Steuerung zur Folgehaben können, müssen die Ansteuerung des Hochvoltschalters sowie die Spannungsversorgungder auf der Hochvoltseite befindlichen Ansteuerschaltung potenzialgetrennt erfolgen. Bisher wirddie Ansteuerung (Signalübertragung) und die Energieversorgung der Ansteuerelektronik auf derHochvoltseite des Schalters mit diskreten Optokopplern für die Signalübertragung und separatemDC/DC-Wandler für die Energieübertragung realisiert. Diese Optokoppler werden aus LEDs(Drei-Fünf-Verbindungen) und Foto-Dioden (Silizium-Technologie) zusammengesetzt.

Vorteilhaft lassen sich der Hochvoltschalter (Si-SiC-Kaskode), die Potenzialtrennung und diedazu notwendigen Bauelemente zu einem Bauelement zusammenfassen. Aufgrund dieserIntegrierbarkeit kann der Hochvoltschalter mit einer potenzialgetrennten Energieversorgung undmit einer potenzialgetrennten, bidirektionalen Datenübertragung in einem IC-Gehäuseuntergebracht werden. Dies bedeutet eine wesentliche Platzreduzierung gegenüber einer Lösungmit diskreten Bauteilen.

Durch den Einsatz von neuen Technologien: Mikrotrafo (Abb. 1), Magnetkoppler (Abb. 2a, 2b)und Polymer-Optokoppler (Abb. 3) kann nun der Hochvoltschalter (Abb. 4, vgl. z.B. DE 198 33214 C1) mit den bisher extern angeordneten Schaltungsteilen (potenzialgetrennteSignalübertragung, potenzialgetrennte Spannungsversorgung) zusammen integriert werden.Dadurch ist es möglich einen Hochvoltschalter mit allen für den Betrieb notwendigenSchaltungsteilen als ein Bauelement zu realisieren. Die verwendeten Komponenten sindnachfolgend genauer beschrieben:

Mikrotrafo (Abb. 1):

Siemens Technik Report

Jahrgang 4  Nr. 12  Juli 2001

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Abb. 1 : Untere, mittlere und obere Schicht eines Mikrotrafos mit Ringkern. Leistungs-übertragung in diesem Beispiel ist eins zu eins.

Das Übertragungsprinzip ist gleich wie bei einem herkömmlichen Trafo. Ein Mikrotrafo inDünnschichttechnik kann auch mit einer Vielzahl von anderen Geometrien aufgebaut werden.Schichtreihenfolge eines solchen Trafos:

1.     Ca. 1-2µm magnetisches Material als Schirmschicht

2.     2µm Isolationsmaterial

3.     1µm Kupfer, strukturiert für den unteren Teil der Spulen

4.     2µm Isolationsmaterial mit Vias (Durchkontaktierungen)

5.     5-10µm magnetisches Material für den Kern

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