Die Erfindung betrifft eine Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, ieistungselekt- ronisches Bauelement sowie Verwendung.

Hintergrund

Die Leistungseiektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik, das sich insbesondere mit der Umformung elektrischer Energie mit schaltenden elektronischen Bauelementen beschäftigt. Leästungshalbleiter sind Haibieiterbauelemente (leistungselektronische Bauelemente), die in der Leistungselektronik für das Steuern und das Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind. Die elektrischen Ströme betragen hierbei regelmäßig wenigstens 1 A. Spannungen betragen wenigstens etwa 24 V. Ströme und Spannungen bis zu mehreren Tausend Ampere und Volt können gesteuert oder geschaltet werden.

Die Leistungshalbleiter (LHL) werden häufig in Moduigehäusen hergestellt. Darin sind zumeist mehrere LHL-Chips in einem Moduigehäuse angeordnet. Eine weitere häufige Gehäuseform ist die Scheibenzelle. In dieser können ein als auch mehrere Chips angeordnet sein. Insbesondere aus GaN werden LHL nach dem Funktionsprinzip des High Electron obiliiy Transistors (HEMT) hergesteilt. Da diese zunächst ohne Steuerspannung Seiten (normai-an), ist ihr Einsatz in leistungselektronischen Geräten kritisch, da es bei Ausfall der Steuerspannung oder beim Ein- und / oder Ausschalten des Geräts zu einem urzschiuss kommen kann. Deshalb werden diese normal-an HEMT teilweise zusammen mit einem Si-MOSFET (normal-aus) als Kaskode verschaltet. Es ist zwar möglich auch HEMTs zu fertigen, die ohne Steuerspannung sperren (normal-aus), Jedoch stellt dies zusätzischen Aufwand bei der Fertigung dar.

Zusammenfassung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement anzugeben, bei der eine einfache und zuverlässige optische Ein- und Ausschaltbarkeit ermöglicht ist. Zur Lösung eine Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement nach dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen. Weiterhin ist die Verwendung der Schaiiungsanordnung nach Anspruch 13 vorgesehen. Alternative Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt ist eine Schaiiungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselekt- ronisches Bauelement geschaffen, weiches ein- und ausschaltbar ist. Bei der Schaiiungsanordnung sind ein fichtempfindliches Schaltungselement sowie eine Leistungshalble ter- Schaltung vorgesehen, die zum Ein- und Ausschalten einem Ausgang des lichtempfindlichen Schaltungselements nachgeschaltef und als eine der folgenden Schaltungen ausgeführt ist: Kaskoden-Schaitung mit zwei in Reihe geschalteten Leistungshaibieiter-Scha!tungsefe- menten und Superkaskoden-Schaltung mit mehr als zwei in Reihe geschalteten Leistungs- haibieiter-Schaltungselementen. Weiterhin ist ein optisches Koppeleiement vorgesehen, welches eingerichtet ist, optische Steuersignale zum Ein- und Ausschalten zu empfangen und an das lichtempfindliche Schaltungselement zu geben. Die Schaiiungsanordnung kann in einer der foigenden elektrischen Vorrichtungen eingesetzt werden: seibstgeführte Stromrichter, Gieichstromsteiler, Gleichrichter, Wechselrichter, Schalter für Wechselstrosnlast, Schalter für Gleichstromlast und Schalter für Drehstromlast.

Bei den Leistungsha bleiter-Schaltungseiementen kann es sich um Transistoren handeln.

Im Aligemeinen sind Leistungshaib!eiter Halbleiterbauelemente {leistungselektronische Bauelemente), die in der Leistungselektronik für das Steuern und das Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind. In Verbindung mit dem optisch steuerbaren, leisiungselektronischen Bauelement kann vorgesehen sein, dass dieses als ein Leistungshaibleiter-Gehäuse ausgeführt ist.

Das lichtempfindliche Schaätungseiemeni kann mit einer Fotodiode oder einer Reihenschaltung mehrerer Fotodioden gebildet sein. Das lichtempfindliche Schaltungselement kann bei dieser oder anderen Ausführungsformen mit einem parallel geschalteten Widerstand ausgeführt sein, beispielsweise einem Widerstand parallel zu der einen oder der Reihenschaltung der mehreren Fotodioden. Das lichtempfindliche Scha!tungseiement kann aus einem Halbleitermateria! bestehen, weiches eine Bandlücke aufweist, die größer als die Bandlücke von Silizium ist. Die Fotodioden können aus dem Halbleitermaterial mit der größeren Bandlücke als Silizium ausgebildet sein. Die zwei Leistungshalbleiter-Schaitungselemente der Kaskoden-Schaitung oder die mehreren Leistungshalbieiter-Schalfungseiemente der Superkaskoden-Schaltung können als Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit oder etall-Oxid-Ha!bieiter-Feldeffekttransistoren ( OSFET) ausgeführt sein. Für den Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit wird auch die Abkürzung HEMT (High-Electron-Mobility Transistor) verwendet. Der MOSFET kann ein steuerbares Element der Leistungshalbieiter-Schaltung bilden.

Die Leistungshalbleiter-Schaltungselemente der Kaskoden-Schaitung oder der Superkaskoden-Schaltung können jeweils als ein MOSFET ausgeführt sein. Bei der Kaskoden- Schaitung kann einem der beiden MOSFETs eine Zusatzbescha!tung zugeordnet sein, durch die der MOSFET sich als normal-an Schaltungseiement verhält. Bei der Superkaskoden- Schaltung können alle Leislungshalbleiter-Schaltungsele ente sowohl als MOSFETs als auch als HEMTs ausgebildet sein. Bei der Superkaskoden-Schaltung können den Leisfungs- halbleiter-SchaltungseSementen Schaltungsanordnungen zur Symmetrierung der Sperrspannung zugeordnet sein.

Es kann ein Freilaufschaltungselement vorgesehen sein. Das Freilaufschaltungseiement kann mit der Last parallel geschaltet und eingerichtet ist, beim Ausschalten einen Schal- tungspfad für einen Laststrom bereitzustellen. Das Freilaufschaltungselement kann eine Halbleiterdiode sein.

Es kann eine den Leistungshaibieiter-Schaitungselementen zugeordnete Treiberschaltung vorgesehen sein, Die Treiberschaltung kann zwischen dem lichtempfindlichen Schaltungs- elemeni und der Leistungshalbieiter-Schaltung angeordnet sein. Die Treiberschaltung kann aus dem Hauptstromkreis gespeist werden, also dem Stromkreis, welcher von der Leis- tungshalbleiter-Schaitung geschaltet wird. In einer Ausführungsform ist das lichtempfindliche Schaltungseiement aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si).

An das optische Koppelement kann ein optischer Sender koppeln, Bei dieser Ausführungsform kann das lichtempfindliche Schaltungseiement mit Licht von dem optischen Sender be~ aufschlagt werden, um den Schaltprozess zu steuern. Der optische Sender kann mit einer lichtemittierenden Diode gebildet sein. Optischer Sender und lichtempfindliches Schaitungselement können so ausgebildet sein, das zwischen dem optischen Sender und dem lichtempfindlichen Schaltungselement eine lösbare Verbindung vorgesehen sein kann. Das optische Koppelement kann einen Anschiuss für einen Lichtwellenleiter aufweisen. Der optische Sender und das iichtempfindliche Schaitungselement können jeweils einen Anschiuss für einen Lichtweilenleiter aufweisen, der beide optisch miteinander verbindet.

Es kann ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement vorgesehen sein, in weichem das lichtempfindliche Schaltungselement und ein Transistor der Kaskode- Schaltung oder der Superkaskoden-Schaliung, für den ein Gate-Potential von dem lichtempfindlichen Schaitungselement erzeugt wird, auf einem gemeinsamen Leistungsha!bleiter- Chip ausgeführt sind. Es kann ein optisch steuerbares, leistungseiektronisches Bauelement vorgesehen sein, in welchem das lichtempfindliche Schaitungselement, eine Verstärkerstufe sowie ein Transistor der Kaskode-Schaltung oder der Superkaskoden-Schaitung, für den ein Gate-Potential von der Verstärkerstufe erzeugt wird, auf einem gemeinsamen Leistungshaibfeiter-Chip ausgeführt sind.

Die Schaitungsanordnung kann auf einem gemeinsamen Haibleiterchip ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass bei der Ausführungsform mit Treiberschaltung auch diese in demselben Halbieiierchip oder in dem gemeinsamen Bauelementgehäuse angeordnet ist. Der gemeinsame Leistungshalbleiter-Chip kann mit mindestens einem weiteren Leistungs- halbleiter-Chip in einem gemeinsamen Chipgehäuse verschaltet sein.

Das in den verschiedenen Ausführungsformen vorgesehene optisch steuerbare, ieistungs- elektronische Bauelement ist iichtgesteuert sowohl ein- wie auch ausschaltbar.

Bei dem Leistungshalbleiter-Schalfungselement, welches beispielsweise als Metall-Oxid- Feldeffekt-Transistor ausgeführt ist und das an das lichtempfindliche Schaitungselement anschließt, beispielsweise ein Schaitungselement TO, kann mittels einem sogenannten CLAMP die Sperrspannung begrenzt sein. Bei der Ausführungsform mit Treiberschaltung kann eines der Leistungshalbleiter-Schaltungselemente, insbesondere ein Transistor T1 , welches als norma!-aus Halbleiterbauelement realisiert ist, seine Gate-Vorspannung aus einer Versorgungsspannung der Treiberschaltung erhalten, um sich wie ein normal-an Haibieiterbauelement zu verhalten.

In Verbindung mit der vorangehend erläuterten Technologie können ein oder mehrere der folgenden Aspekte vorgesehen sein. ach einem Aspekt ist eine Anordnung für ein Ieistungselektronisches Bauelement, welches nach einer der obigen Ausführungen ausgestaltet ist, geschaffen. Die Anordnung weist ein Gehäuse sowie eine Leistungshalbleiter-Schaltung auf. Die Leistungshalbleiter-Schaltung ist mit Leistungshalbleifern gebildet und in dem Gehäuse angeordnet. Mit den Leistungshalbleitern sind zwischen Schaltungsanschiüssen der Leistungshalbleiter-Schaltung parallel geschaltete Reihenschaltungen gebildet. Hierdurch sind für die Leistungshalbieiter-Schaltung folgende Schaltungsparameter skalierbar: eine Beiriebsfunktion mittels eines optisch ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleiters in den paraSiel geschalteten Reihenschaltungen; eine Spannungsfestigkeit mittels wenigstens eines jeweiligen spannungs-bestimmenden Leistungshaibleiters in den parallel geschalteten Reihenschaltungen, weicher in den jeweiligen Reihenschaltungen mit dem funktsonsbestimmenden Leistungshalbleiter in Reihe ge- schaltet ist; und eine Stromfestigkeit mitteis der Anzahl der parallel geschalteten Reihenschaltungen.

Nach einem weiteren Aspekt ist ein Modulgehäuse für ein leistungselektronisches Bauelement mit einer solchen Anordnung geschaffen.

Die Spannungsfestigkeit der Leistungshalbieiter-Schaltung gibt eine maximale Sperrspannung für die Leistungshalbieiter-Schaltung an. Mittels des optisch ein- und ausschaitbaren Leistungshaibleiters kann die Steuerbarkeit des leistungseiektronischen Bauelements bestimmt werden.

Es kann ein Modulgehäuse gebildet sein, bei dem die Leistungshalbieiter-Schaltung auf einem Isoliersubstrat angeordnet ist, welches an dem Gehäuse innenseitig angeordnet ist. Das Isoliersubstrat kann ein Keramiksubstrat sein. Das Isoliersubstrat mit der hierauf gebildeten Leistungshalbieiter-Schaltung kann im Inneren des Gehäuses auf der Bodenplatte des Ge- häuses angeordnet sein. Es kann eine Scheibenzeile gebildet sein bei der die Leistungshalbleiter-Schaitung innensei- tig angeordnet ist und mit den Hauptanschlüssen D und S mit den Kontakten der Scheibenzelle elektrisch verbunden ist. Bei beiden Gehäusevarianten kann eine Einführung für einen Lichtweiienleiter vorgesehen werden, zum Beispiel seitlich, um die optische Ansteuerung zu ermöglichen.

Es kann eine Scheibenanordnung gebildet sein, die eine Scbeibenzelle aufweist, bei der in einem jeweiligen Stapel zumindest eines Teils der parallel geschalteten Reihenschaltungen eine Waferscheibe mit dem optisch ein- und ausschaitbaren Leistungshalbleiter und eine weitere Waferscheibe mit dem spannungsbestimmenden Leistungshaibleiter gestapelt und Anschlüsse der Waferscheibe mit Anschlüssen der weiteren Waferscheibe verbunden sind. Hierbei können die Waferscheibe mit dem optisch ein- und ausschaltbaren Leistungshaibleiter und die Waferscheiben mit dem spannungsbestimmenden Leistungshaibleiter aus dem gleichen Halbleitermaterial oder aus unterschiedlichen Haibieitermaterialien bestehen. Die Waferscheibe kann mehrere spannungsbestimmende Leistungshaibleiter aufweisen. Mehrere Waferscheiben mit einem jeweiligen spannungsbestimmenden Leistungshaibiester können vorgesehen sein. Mit der Scheibenanordnung kann eine gemeinsame Scheibenzelle für die Waferscheiben gebildet sein. Bei der Montage mehrerer Scheibenanordnungen (Scheiben- zellen) kann ein gemeinsamer Spannverbund hergestellt werden. Bei einer Ausführung entsteht die Skalierbarkeit hinsichtlich der Spannungsfestigkeit über die Anzahl von gestapelten und hierdurch in Reihe geschalteten Scheibenanordnungen. Bei der Scheibenzelle können die für eine Superkaskode benutzten Steueranschlüsse auf einer Ober- und einer Unterseite herausgeführt sein, so dass beim Stapeln mehrerer Scheibenzellen die Reihenschaltungen von selbst kontaktiert werden. Hierbei kann eine Kühldose zur Kühlung der Superkaskode vorgesehen sein, bei der die Steueranschlüsse durchkontaktiert werden.

Zwischen der Waferscheibe und der weiteren Waferscheibe kann eine elektrisch leitende Zwischenschicht angeordnet sein.

Mit den Leistungshalbieitern können bei parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils ein spannungs-symmetrierendes Schaitungselement gebildet sein.

Insbesondere beim Vorsehen von mehreren spannungsbestimmenden Leistungshalbieitern in einer Reihenschaltung kann zu den mehreren spannungsbestimmenden Leistungshalblei- lern in den parallel geschalteten Reähenschaitungen jeweils ein spannungs-symmetnerendes Schaltungselement gebildet sein. Das spannungs-symmetrierende Schaltungselement kann für eine definierte Aufteilung der Sperrspannung auf die einzelnen spannungsbestimmenden Leistungshaibleiter einer Reihenschaltung sorgen.

Das spannungs-symmetrierende Schaltungselement kann mit dem spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter in einer Waferscheibe angeordnet sein.

Die parallel geschalteten Reihenschaltungen können jeweils mehrere (beispielsweise we~ nigstens zwei) spannungsbestimmende und zueinander in Reihe geschaltete Leistungshaibleiter aufweisen, welche mit dem funktionsbestimmenden Leistungshaibleiter in Reihe geschaltet sind.

Die Leistungshaibleiter _» insbesondere die Fotodiode und TO, können aus Silizium oder der folgenden Gruppe von„wide bandgap semiconductor" Halbleitermateriaiien bestehen: Siiizi- um-Carbid, Gallium-Nitrid, GaSüum-Arsenid, Gallium-Oxid, Diamant, AiuminiumgaHiumindi- urnnitrid und Aluminium-Nitrid.

Es können mehrere Scheibenzellen gestapelt, wobei zwischen benachbarten Scheibenzeüen eine Kühldose angeordnet ist, bei der Anschlüsse zu gegenüberlegenden Flachseiten der Kühidose herausgeführt sind, insbesondere ein Hauptanschiuss und zumindest ein gegen den Hauptanschiuss elektrisch isolierter Steueranschluss.

Nach einem anderen Aspekt kann eine Kühldose vorgesehen sein, die in einem Kühldosen- körper Schäauchanschlüsse aufweist, welche mit Kühlfluidkanäien im Kühldosenkörper in Verbindung stehen. Durch die Kühldose hindurch kann eine Durchkontaktierung hergestellt sein, die von einer elektrischen Isolierung umgeben ist. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Steueranschluss durch den Kühldosenkörper hindurch geführt werden, derart, dass Kontakte der Durchkontaktierung auf gegenüberliegenden Flachseiten des Kühldosenkörpers angeordnet sein können. Alternativ oder ergänzend können auf den Fiachseiten Kontakte für einen oder mehrere Hauptanschlüsse angeordnet sein.

Unter Verwendung einer oder mehrerer Kühldosen kann in einer Ausgestaltung eine gestapelte Anordnung gebildet werden, bei der die Kühldosen zwischen Scheibenzeilen angeord- net sind, derart, dass die Steueranschlüsse sowie Hauptanschlüsse jeweils durch den Kühl- dosenkörper hindurchgeführt sind. Die Steueranschlüsse sind elektrisch isoliert durchverbunden. Die Anschlüsse können beim Stapein dann mit zugeordneten Änschiüssen der Scheibenzellen verbunden werden, die auch auf einer Flachseite gebildet sind. Die Scheibenzellen im Stapel können eine Scheibenzelle mit einem funktionsbestimmenden Halbleiter sowie weitere Scbeibenzeiien mit parailei geschalteten spannungsbestimmenden Leistungshalbleitern aufweisen.

Beschreibung von Ausführunasbeispielen

Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispieie unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Superkaskoden-Schaitung;

Fig. 3 eine schematiscne Darstellung der Schaitungsanordnung aus Fig. 1 , wobei ein Diodengleichrichter als Schalter für ecbselspannungs- oder Drehstromiasten angeschlossen ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung, wobei eine Treiberschaltung integriert ist, die aus einem Lastkreis mit Energie versorgt wird, die Spannung über TO begrenzt („geclampt") wird und für die verschiedene Möglichkeiten der optischen Ansteuerung gezeigt sind;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung, wobei eine Treiberschaltung integriert ist;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anderen Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung, wobei eine Treiberschaltung dargestellt ist und über eine gepunktet dargestellte Verbindung des Gates von T1 nach X eine Ausführung für einen Leistungshaibleiter T1 mit normal-aus Verhalten gezeigt wird;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung mit einem normal-aus Transistor TO und mehreren parallel geschalteten normal-an Transistoren T1a bis Tin, wodurch die Stromtragfähigkeit erhöht oder skaliert werden kann; Fig. 8 eine grafische Darstellung für das Ein- und Ausschaltverhalten einer Schaitungsan- ordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung nach Fig. 1 an 300V bei 1 ,9A und

Fig. 9 eine grafische Darstellung für das Ein- und Ausschaltverhalten eines optisch steuer- baren, leistungseiektronischen Bauelements mit einer zweistufigen Superkaskoden-

Schaltung nach Fig. 2 an 450V bei 1 ,3 A. im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 Ausführungsformen für eine Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement sowie ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement beschrieben. Die Schaitungs- anordnung kann beispielweise mit einer Kaskoden-Schaitung oder einer Superkaskoden- Schaitung gebildet sein.

Die Änsteuerung mittels optischer Signale kann mit einer durch einen Lichtwe!lenieiter (LWL) beleuchteten Fotodiode D _E realisiert werden. Diese soii bei Beleuchtung einen Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor TO {MOSFET TO) aufsteuern (vgl. Fig. 1 ff . } , indem sie diesem eine Gateladung zuführt. Die Spannung einer Silizium- (Si-) Fotodiode ist gering, weshalb eine Reihenschaltung von Fotodioden vorgesehen sein kann, um die Gate-Source- Threshholdspannung U _G sTh des MOSFET TO zu überschreiten. Alternativ kann die Fotodiode D _E aus einem Halbieitermaterial mit höherem Bandabstand (sogenannte„wide bandgap se~ miconductors"), insbesondere einem höheren Bandabstand (Bandlücke) als Si, wie Silizium- Carbid (SIC) oder einem ili-V-Verbindungshaibleiter, zum Beispie! Gaiiium-Niirid (GaN), benutzt werden. Durch den höheren Bandabstand dieser Werkstoffe ist die Spannung einer Fotodiode aus solchen Werkstoffen höher als bei Si. Dennoch kann ein MOSFET mit gerin- gern Ucs-m benutzt werden.

Die Kennlinie einer Fotodiode zeigt üblicherweise eine Leerlaufspannung U ₀ , die vom verwendeten Halbleitermaterial bestimmt wird und nur wenig von der Beleuchtungsstärke abhängt. Der Kurzschiussstrom I _K hingegen wird maßgeblich von der Beleuchtungsstärke und der Effizienz der Fotodiode bestimmt.

In der U _G s ~ fo-Kennlinie kann die Übertragungssteilheit g^ („iransconductance") des tvlöS- FETs abgelesen werden. Hierdurch ergibt sich eine minimale Gate-Source-Spannung U _G son zum Einschalten der Kaskode (vgl. insbesondere Fig. 1). Die Leerlaufspannung der Fotodio- de ist mindestens ebenso groß, weshalb eine Fotodiode aus einem„wide bandgap serni- conductor" vorgesehen ist. Eine Reihenschaltung von Si-Fotodioden kann alternativ vorgesehen sein, kann jedoch die Ankoppiung eines Lichtweflenieiters erschweren.

_{g :::} .. . iL. ^, damit U ₀ > U _GSo „ > U _GSTh +

o _s g _Fs

Der Kurzschlussstrom ! _K der Fotodiode D _£ zusammen mit dem Widerstand R _G und der Gateladung Q _G des MOSFETs TO ist maßgeblich für das Schaitverhalten des MOSFETs TO

Nachfolgend werden weitere Aspekte zum MOSFET TO erläutert.

Die Ansteuerung des EvföSFETs würde jedoch mit einer geringen Ladung erfolgen. Deshaib gilt es eine Möglichkeit zu finden, wie bei gegebener Sperrspannung mit einer geringen Ladung ein möglichst geringer Durchiasswiderstand des Bauelementes erreicht werden kann. Der Kanaiwiderstand R _c , _h eines OSFETS im eingeschalteten Zustand ist von den geometrischen Parametern Kanaüänge L und Kanalweite W und daneben von der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und der Kanaliadung Q abhängig;

Da die Fläche des HaibieitermateriaSs entweder für die Kanaüänge L oder die Kanalweite W genutzt werden kann sind bei gegebener Chipfiäche und Strukturbreiie beide Parameter umgekehrt proportional womit der Kanaiwiderstand quadratisch von der Kanaüänge L abhängt:

W ~— damit R. _r .

L μ

Die zur Aufnahme einer bestimmten Sperrspannung notwendige Kanaüänge wird

2 * U ^■J DSS damit wird R _rl

knt worin U _D ss eise niax. Sperrspannung des Kanals und E _km die Durchschlagsfeldstärke des Haibfeiterwerkstcsffes sind.

Unabhängig vom Halbieitermaterial wird also der Kanalwiderstand bei gegebener Kanalia- dung Q umso kleiner je geringer die Sperrspannung U _D ss ist. Dieser Kanalwiderstand ist (unabhängig vom Halblesterwerkstoff) sogar quadratisch von der Sperrspannung abhängig.

Darin liegt ein Aspekt, dass nämlich der von der Fotodiode D _£ aufgesteuerte MOSFET TO nur eine Sperrspannung in der Höhe des Betrages der Gate-Source-Thresholdspannung des seibstieiienden HESvITs T1 aufweisen muss, die üblicherweise bei etwa 3 bis 5 V liegt. Wenn also der MOSFET TO nur für zum Beispie! 10 V ausgelegt wird und die Kaskode eine Sperrspannung von beispielsweise 300 V haben soll, ergäbe sich ein um den Faktor

ÄL ₌ 0.001 i « io- ³

(300 ) ² geringerer Widerstand des Kanals bei gleicher Gateiadung ais es bei einem MOSFET von 300 V Sperrspannung der Fall wäre. Die Kaskode ist aiso besonders geeignet, um ein höhersperrendes Leistungshalbleiterbaueiement zu schaffen, welches mit einer geringen Ladung Q gesteuert werden kann. Um zu noch höheren Sperrspannungen zu gelangen, kann die Kaskode zur Superkaskode erweitert werden. Eine deutliche Verbesserung ist auch zu erwarten, wenn der hier benutzte Si-MOSFET TO durch einen iadungsgesteuerten Leis- tungshalbleiter aus GaN (zum Beispiel einen normal-aus HEMT) oder SIC (zum Beispiel einen MOSFET) ersetzt wird, dessen Sperrspannung nur einen Bruchteil der Sperrspannung der gesamten Kaskode bzw. Superkaskode beträgt.

Einige Parameter für beispielhaft nutzbare Halbleiterwerkstoffe sind in folgender Tabelle angegeben.

| Haibleiterwerkstoff Si ^~ |GäN 1 SiC

Bandabstand [eV] 1 , 12 | 3]4 3,28

Durchbruchfeldstärke [kV / cm] 300 33ÖÖ 2200

ElekTronenbewegiicbkei μ _η cm ² Vsj 1500 ! 950

Dielektrizitätskonstante ε _Γ [1] 11 ,9 ; 9 1 1 11

i Es kann vorgesehen sein, den MOSFET TO nicht aus Si, sondern (als selbstsperrendes, normai-aus) GaN- (oder SiC~) -Bauelement zu realisieren, da GaN gegenüber Si bei gleicher ESektronenbewegiichkeit μ _η eine elfmal höhere Durchbruchsfeldstärke E _krit aufweist. Damit ließe sich ein am den Faktor 1 1 ^* 11 = 121 geringeres Produkt aus Durchlasswiderstand und Gateladung erzielen, d.h. für den gleichen Durch!asswiderstand (bei gleicher Sperrspannung) wäre nur die 1 / 121 - 0,0083-fache Gateladung erforderlich, was sowohl die Schaltgeschwindigkeit als auch den schaltbaren Laststrom drastisch erhöhen würde. Mit dem GaN- HEMT, einer GaN-Fotodiode und dem Widerstand R _G wären alle Elemente aus demselben Haibleiterwerkstoff, was eine Ausführung auf einem gemeinsamen Chip begünstigt. Es sind Kaskoden bekannt, bei denen beide Halbleiter, TO und T1 , jedoch ohne Ansteuerung auf einem gemeinsamen Chip aus einem "wide bandgap semiconductor integriert sind. Somit sind alle Elemente der iichtgesteuerten Kaskode auf einem Chip realisierbar.

Auch bei Verwendung eines Si-MöSFETs könnten die Fotodiode und der HE T aus dem- selben Werkstoff und wahlweise auf demselben Chip realisiert werden. Eine Ausführung der Fotodiode aus einem Halbleitermater ai mit höherem Bandabstand führt zu einer höheren Steuerspannung ÜGSO ais es bei einer Si-Fotodiode der Fall wäre. Dies erlaubt eine größere Freiheit bei der Gate-Source-Threshoid-Spannung der MOSFETs. Da hierdurch eine bei Si- Fotodioden ggf. erforderliche Reihenschaltung derselben vermieden werden kann, wird die Ankopplung eines Lichtweüenieiters zur Ansteuerung erheblich vereinfacht.

Durch die Rückwärtsleitfähigkeit einer solchen Kaskode würde sie bei der Anwendung in spannungsgespeisten Umrichtern zugleich die Funktion der Freilaufdiode erfüllen. Nachfolgend werden die Aspekte Kaskode und Superkaskode weiter erläutert.

Die Kaskode ist als solche ebenso bekannt wie die Superkaskode. Vorteilhaft ist hierbei, dass das steuerbare Element, also der MOSFET TO in Fig. 1 , in seinem Sperrvermögen auf die Gate-Source-Spannung des normai-an HEMTs T1 beschränkt ist (vgl. Fig. 2).

Da wie oben ausgeführt der Roson bei kleiner Sperrspannung sehr geringe Werte erreicht, kann es sinnvoll sein, eine Kaskode bzw. Superkaskode bestehend aus einem lichtgesteuerten normai-aus MOSFET TO und mehreren, zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit parallel geschalteten, normal-an HEMTs T1a bis Tin aufzubauen (vgl. Fig. 7). Sollte die Sperrspannung von T1 nicht reichen, kann stattdessen eine Superkaskode aufgebaut werden, bei der so viele HEMTs in Reihe geschaltet werden, wie es für die Sperrspannung erforderlich ist (vgl. Fig. 2). Damit sind die Steuerseite und der MOSFET TO unabhängig von der gesamten Sperrspannung. Darüber hinaus ist bei der Herstellung des HEMTs kein Zusatzaufwand nötig, der zur Erreichung eines normai-aus-Verhaltens gebraucht wird Nachfolgend werden weitere Aspekte zur Steuerung der erforderlichen Ladung und Leistung erläutert.

Der für die Versuche mit der Kaskode verwendete Si-MOSFET T1 (bzw. T1 und T2 bei der Superkaskode), der durch eine zusätzliche Spannung in der Gateleitung zum normal-an- Verhalten gebracht wird, hat einen R _Ds0 n - 4,4 Ω. Der Si-MOSFET TO, hat einen R _Ds0 n = 85 ΓΠΩ, eine Gateiadung von Q _T = 3,5 nC bei einer Gate-Source Threshoid- Spannung von _G s(th) ^™ 1 V (max). Hieraus resultiert ein Gesamtwiderstand R askode_on der Kaskode im eingeschalteten Zustand und eine zum Einschalten erforderliche Treiberenergie W _Tr _ ₀ n von

- 4,4Ω + 85mO - 4,5Ω W _{Tr on} _ _Kaskode = 35nC * IV - 3,5nJ

Würde der Gesamtwiderstand der Kaskode durch Verwendung von Halbleitern für T1 (bzw. T1 und T2 bei einer Superkaskode) mit geringerem Durchlasswiderstand reduziert, würde die Treiberleistung davon nicht erhöht. Für den 600 V Si-MOSFET alleine ergeben sich sinngemäß

¹ RKaskode_on 4 4Ω W ^vr Tr _on_Si 1 ¹ nC * 4V ^y - 1 ' ^Δ 2n ^ϋ J also eine mehr als 20-mal höhere Treiberenergie bzw. Treiberleistung.

Für einen 650 V GaN-Leistungs albieiter mit normal-aus Verhalten, werden eine Gateladung von Q _G = 3 nC bei einer Gate-Source Threshoid-Spannung von V _G s( _th > = 1 ,3 V (max) ange- geben. Daraus ergeben sich

W _{Tr on GaV} = 3 iC*l,3K = W Die zum Beirieb der askode erforderliche Treiberieistung liegt also auf dem Niveau eines normal-aus GaN- Leistungshalbleiters, jedoch ohne das es erforderlich ist, dem an sich selbstleitenden HEIvIT T1 , der die Sperrspannung der Kaskode bestimmt, erst ein normal- aus-Verhaiien einzuprägen. Hierdurch kann die erforderliche Gateladung bzw. Treiberener- gie von einer Fotodiode erbracht (lichtgesteuerte Kaskode bzw. Superkaskode) bzw. die Treiberstufe aus dem Hauptstromkreis heraus versorgt werden.

Für die Schaltungsanordnung mit einer lichtgesteuerten Kaskode (vgl. Fig. 1 ) werden nachfolgend experimentelle Untersuchungen erläutert. Es ist damit die Funktionsweise einer lichtgesteuerten Kaskode nachgewiesen.

Da keine geeignete Fotodiode aus einem wide-bandgap-Halbleiter kommerziell erhältlich war wurde stattdessen eine blaue LED (Iichtemittierende Diode) als Fotodiode benutzt. Die Farbe der LED steht in engem Zusammenhang zum Bandabstand des verwendeten Haibieiterma- terials, für blaue LEDs ist ein hoher Bandabstand nötig. Leuchtdioden weisen im Betrieb als Fotodiode nur einen sehr geringen Kurzschlussstrom und eine hohe Sperrschichtkapazität auf was zu hohen Schaltzeiten führt. Durch Verwendung einer geeigneten Fotodiode aus z.B. GaN könnte das Schaltverhalten der iichtgesteuerten Kaskode bzw, Superkaskode deutlich beschleunigt und damit verbessert werden. Anstelle eines normal-an GaN-HEMT wird für T1 versuchsweise ein normal-aus Si-MÖSFET mittels einer zusätzlichen Vorspannung am Gate zu einem normal-an-Verhalten gebracht. Der MOSFET TO wird durch einen Si~ OSFET realisiert. Würde stattdessen einer aus GaN benutzt, könnte mit der gleichen Gate- Ladung ein 1 1 ² = 121 mal geringerer Roson erreicht werden. Ein Widerstand parallel zu TO soll verhindern, dass der Sperrstrom von T1 den MOSFET TO in den Durchbruch treibt. Die gleiche Funktion erfüllt die Diode D _C!amp in Fig. 4. Es wurden für Sender- und Empfänger- LEDs Dioden desselben Typs, damit aus demselben Halbieiferwerkstoff, benutzt und so aufeinander montiert das die Sendediode direkt in die Empfängerdiode leuchtet.

Der Lastwiderstand R _L33 t war 150 Ω. Bei der benutzten GS-Spannung (GS - Gleichspan- nung) von 300V ergeben sich ein Laststrom i _L3S i nd eine Leistung P _Lasi in der Last von

300V

- 2A damit f> = 300F * 2A = 60W ,

150Ω ^Last die optisch ein- und wieder ausgeschaltet werden konnten. Die Messung des Laststromes i _L ast erfolgte mit einem Shunt, der den Laststrom mit einem Maßstab von 40 mV / A abbildet. Bei 20 mV / Division sind dies im Osziiiogramm also 0,5 Ä / Division. Die Diode Dp {siehe Fig. 5) ist die Freilaufdiode des Schalters die einen Pfad für den Laststrom nach dem Abschalten bietet.

Fig. 8 zeigt eine grafische Darstellung für das Ein- Lind Ausschalten der Iichtgesteuerten Kaskode an 300 V bei 1 ,9 A Die sich ergebenden Schaltzeiten sind eher iangsam (Zeitachse 40 3 / Division). Dies ist dem Ersatz der Fotodiode, zum Beispiel einer GaN-Fotodiode, durch eine blaue LED geschuldet. Bei kleinerer Kapazität und höherem Kurzschiussstrom einer„echten" wide band- gap" Fotodiode oder einer aus dem Hauptkreis gespeisten Treiberstufe wäre die Aufladung beim Einschalten schneller, und es könnte ein kleinerer Widerstand R _G benutzt werden, der das Abschalten beschleunigen würde (s.o.).

Für die Schaltungsanordnung mit einer Iichtgesteuerten Superkaskode (vgl. Fig. 2) werden nachfolgend experimentelle Untersuchungen erläutert.

Es ist damit die Funktionsweise einer Iichtgesteuerten Superkaskode nachgewiesen. Ein Widerstand parallel zu TO soll verhindern, dass der Sperrstrom von T1 den MOSFET TO in den Durchbruch treibt. Die gleiche Funktion erfüllt die Diode Dci _am o i ⁿ Fig. 4.

Der Lastwiderstand R _La st war 340 Ω. Bei einer GS-Spannung von 450 V ergeben sich ein Laststrom k _3s t und eine Leistung P _LgsS in der Last von

450

— - 1,32.4 damit P _{lc l} ···-·. 450 * 1,32 A 0,6kW■

340Ω ^Lasi die optisch ein- und wieder ausgeschaltet werden konnten. Die Spannungsaufteilung innerhalb der Superkaskode nach Fig. 2 erfolgt durch die Suppres- sor- oder Zener-Dioden Ό _ζ , Deren Durebbruchspannung bestimmt die Spannungsaufteiiung zwischen T1 und T2. Die beiden normai-an Leistungs-MGSFET T1 und T2 wurden durch normai-aus MOSFETs ersetzt die durch zwei Hüfsspannungsqueilen zwischen Gate und Source zu einem normalen Verhalten gebracht wurden. Würden statt dessen die eigentiich vorgesehenen GaN~ HEMTs mit normal-an Verbaten benutzt wären diese Hüfsspannungsqueilen nicht erforder- lieh.

Die Messung des Laststromes _L3s; erfolgte mit einem Shunt der den Laststrom mit einem Maßstab von 40 mV / A abbildet. Bei 20 mV / Division sind dies im Oszilfogramm (vgl. Fig. 8) also 0,5 Ä / Division. Die Freilaufdiode des Schalters, die einen Pfad für den Laststrom nach dem Abschalten bietet, wird durch eine Diode D _F gebildet.

Fig. 9 zeigt eine grafische Darstellung für das Ein- und Ausschalten der Superkaskode an 450 V bei 1 ,3 A. Auch hier sind die Schaltzeiten eher langsam. Dies hat dieselben Ursachen wie bei der Sicht- gesteuerten Kaskode (vgl. Fig. 6 und obige Erläuterungen).

Fig. 4 und 5 zeigen eine schematische Darstellung einer Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, ieistungseiektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung, wobei eine Treiberschaltung integriert ist.

Die Treiberstufe wird aus dem Hauptstromkreis versorgt. Die Leistungsaufnahme einer Treiberstufe für eine Kaskode oder Superkaskode kann gering ausfallen, da nur der MOSFET TO mit seiner sehr geringen Sperrfähigkeit angesteuert werden muss und die dazu erforderlich Gate-Ladung sehr gering ist (vgl. obige Berechnungen für die verschiedenen Energien W _Tr _ ₀ n)- Deshalb kann bei einer Kaskode oder Superkaskode vorteilhaft eine Treiberstufe mit der in Fig. 5 gestrichelt umrandeten Versorgung aus dem Hauptstromkreis und der ebenfalls umrandeten Verstärkerstufe in einem Gehäuse integriert ausgeführt werden.

Da die Empfängerdiode D _E hierbei weder die Gateiadung bereitstellen muss noch hinsichtlich der von ihr generierten Spannung dem MOSFET TO angepasst werden muss, kann diese Empfängerdiode auch auf eine sehr viel schnellere Schaltzeit ausgelegt werden. Ebenso ist die Verwendung eines Fototransistors möglich, da die zum Schalten von TO erforderliche Gate-Energie nicht über die optische Strecke übertragen werden muss, wenn danach eine Verstärkerstufe zur Verfügung steht. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen SchaStungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaltung, wobei eine Treiberschaltung integriert ist. Die Treiberstufe wird aus dem Hauptstromkreis versorgt und über Dc; _a mp Sperrspannung von TO auf max. U ₂ begrenzt (clampt). Wird die Potentialtrennung durch einen Optokoppler mit„open-collector" realisiert, kann mit einem nachfolgenden !nverter und einer Gegen- taktendstufe TO angesteuert werden (vgl. Fig. 6). Da, wie oben erläutert, die erforderliche Treiberleistung gering ist, kann diese Treiberstufe, die auch zusammen mit dem Optokoppler, einer Zener-Diode zum stabilisieren von U _z und TO auf einem gemeinsamen Chip integriert werden kann, über D _sup und R _su aus dem Haupt- strornkreis versorgt werden. Vorteilhaft bei dieser Anwendung ist, dass über Dciamp die Sperrspannung über TO auf den Wert U _z , der durch die Zener-Diode stabilisiert wird, begrenzt (gec!ampt) wird. Dies betrifft sowohl die statische Sperrspannung, die von den Sperrströmen der Halbierter TO und T1 bestimmt wird, als auch die dynamische Spannung, die beim Schalten von den parasitären Kapazitäten von TO und T1 bestimmt wird. Die hierbei anfallende Energie steht zum Betrieb der Treiberstufe zur Verfügung, wodurch der erforderliche Strom über D _SLip und R _sup kleiner ausfallen kann. Durch dieses„clampen" der Sperrspannung von TO ist dessen erforderliche Sperrspannung besser definiert, was es erlaubt, für TO einen Halbleiter geringerer Sperrspannung zu verwenden, als wenn dafür noch eine Sicherheitsreserve berücksichtigt werden muss. Dies reduziert, wie oben erläutert, sowohl die erforderliche Gateladung als auch den bei gleicher Chipfläche möglichen R _D son. Bei der oben erläuterten Ausführungsform könnten alle Elemente ggf. mit Ausnahme von T1 , D _sup und C _sup auf einem gemeinsamen Chip, zum Beispiel aus Silizium, SIC oder GaN, realisiert werden. T1 und D _sup müssen einer höheren Sperrspannung standhalten, und T1 kann aus„wide bandgap" Werkstoffen realisiert werden, zum Beispiel GaN. C _sl , _P kann in konventioneller Weise, zum Beispiel als Keramik- oder Foiienkondensator, realisiert werden da die Ausführung von Kondensatoren als Chip sehr flächenintensiv und damit teuer ist.

Sollte für T1 ein Halbleiter benutzt werden, der ein normai-aus-Verhalten hat, zum Beispiel ein Si-MOSFET, kann seine Gate-Vorspannung ebenfalls aus der Versorgungsspannung U _z der Treiberstufe gewonnen werden. Dazu wird sein Gate nicht an Source, sondern (wie ge- strichelt gezeigt) an den mit„x" gekennzeichneten Knoten angeschlossen (vgl. Fig. 6). Daraus ergeben sich folgende Aspekte:

- Die Anwendung einer aus dem Hauptstromkreis gespeisten Treiberstufe einer Kaskode oder Superkaskode wird durch diese geringe Treiberieistung erst sinnvoll.

- Zusammenfassen der Treiberstufe mit ihrer optischen Schnittstelle.

~ Die Integration dieser Treiberstufe mit der optischen Schnittstelle in das Gehäuse des Leistungsbalbleiters, dies kann sowohl ein Modulgehäuse als auch eine Scheibenzelle sein.

- Durch die Gewinnung einer Gate-Vorspannung kann diese Treiberstufe auch für Leis- tungshalbleiter mit normal-aus-Verhaiten, zum Beispiel Si- OSFETs oder IGBTs, angewendet werden.

Es wurden die Funktionsfähigkeit und die Funktionsweise für eine Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungseiektronisches Bauelement sowie ein optisch steuerbares, leistungseiektronisches Bauelement erläutert. D _E , R _G und TO, wahlweise auch T1 , können aus demselben Halbleiter-Werkstoff auf demselben Chip realisiert werden. Die Ergänzung zur Superkaskode kann durch mehrere Chips in einem gemeinsamen Gehäuse realisiert werden, ähnlich wie es bei ModuSgehäusen, bei denen mehrere IGBT-Chips und mehrere Dioden-Chips auf einem Keramiksubstrat im selben Gehäuse verbaut werden, an sich be- kannt ist.

Wenn eine Fotodiode mit möglichst hohem Kurzschlussstrom bei möglichst geringer Sperrschichtkapazität gefertigt wird, ergeben sich zusammen mit einer optimierten Sendediode und verbesserter mechanischer Anordnung des LWL deutlich kürzere Schaltzeiten beim Ein- und Ausschalten als hier gezeigt.

Die Funktionsweise der lichigesteuerten Superkaskode wird demonstriert.

Die Integration einer optischen Schnittsteile mit einer Verstärkerstufe auf einem Chip ist möglich. Durch die gegenüber Leistungshalbleitern mit gleicher Nennspannung und gleichem Nennstrom erheblich reduzierter Ansteuerleistung einer Superkaskode kann solch ein Chip aus dem Hauptstromkreis gespeist und in das Leistungshalbleitergehäuse integriert werden.

Wird eine lichtgesteuerte Kaskode / Superkaskode zusammen mit einer Dioden-Brücke, wie in Fig, 3 gezeigt, ausgeführt, ergibt sich ein leistungseiektronisches- Schalter, der in beiden Richtungen sperren und in beiden Richtungen Strom führen kann und optisch ein- und ausschaltbar ist.

Da durch die optische Ansteuerung über LWL eine Potentialtrennung erfolgt und die Leis- tungshalb!eiter keine Treiberstufe enthalten, die eine potentialfreie Energieversorgung benötigen, ergeben sich in der Praxis erhebliche Vereinfachungen beim Aufbau eines Umrichters. Diese Vorteile führen zur Verwendung von lichtgesteuerten Thyristoren, die jedoch nicht abschaltbar sind. Mit der hier vorgeschlagenen Technologie können solche Vereinfachungen des Aufbaus auch auf selbstgeführte Topologien übernommen werden.

Zusammen mit einer einphasigen Diodenbrücke (B2) oder einer dreiphasigen Diodenbrücke (B6) kann die Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, ieistungselektronisches Bauelement als lichtgesteuerter Schalter für Wechselstrom- (WS-) oder Drehstromlasten (DS) im Stern benutzt werden (vgl. Fig. 3). Die Schaltungsanordnung liegt dann über der Gleichstrom- (GS-) Seite der Brücke und schließt, wenn sie angesteuert wird, diese kurz, womit die Wechselstrom- oder Dreh ström lasten eingeschaltet wird. Drei einzelne Schaltungsanordnungen mit jeweils einer B2 könnten auch eine Drehstromlast im Dreieck ein- und ausschalten. Eine weitere Ausführung ergibt sich, wenn sowohl die Sendediode D _s als auch die lichtgesteuerte Kaskode / Superkaskode bzw. eine Kaskode / Superkaskode mit integrierter Treiberstufe in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Hierdurch wäre eine elektrische Ansteuerung des so ausgeführten leistungselektronischen Bauelementes nötig. Es wäre jedoch die galvanische Trennung zwischen Steuerung und Leistungsteil bereits im leistungs- elektronischen Bauelement gegeben.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.