Die Erfindung bezieht sich auf einen Strombegrenzer mit zu- mindest einem Halbleiterbereich mit Elektronenspender (Source) , Elektronensammler (Drain) und den Elektronenfluß steuernder Elektroden (Gate) .

Es ist häufig wünschenswert, Ströme, insbesondere Wechsel- ströme, rasch auf bestimmte Werte zu begrenzen, so daß Überströme verträglich werden oder damit Zeit zum Abschal¬ ten verbleibt.

Nachteilig bei mechanischen Schutzschaltgeräten sind der Verschleiß der Kontakte, häufige Wartung und eine verhält¬ nismäßig langsame Schaltzeit im Kurzschlußfall sowie eine verhältnismäßig geringe zeitliche Genauigkeit des Schalt¬ zeitpunktes.

Halbleiterschalter können dagegen verschleißfrei arbeiten und schnell schalten; sie haben geringe Schaltverluste und sie lassen sich variabel steuern. Nachteilig sind bei Halb¬ leiterschaltern: hohe Kosten, hoher Platzbedarf und ver¬ hältnismäßig hohe Durchlaßverluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strombe¬ grenzer unter Einsatz von Halbleitertechnik zu entwickeln, bei dem die bisher üblichen Nachteile der Halbleiter bis auf ein technisch brauchbares Ausmaß verringert werden.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt nach der Er¬ findung durch einen Strombegrenzer nach Patentanspruch 1. Der Halbleiterbereich arbeitet ohne eigene Ansteuerung, und er weist eine Kennlinie auf, wie sie Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. Gegebenenfalls kann eine Stromunterbre¬ chereinrichtung in Serie zur Drain-Source-Strecke geschal

tet sein, um als Überlastrelais den Halbleiterbereich zu schützen oder auch um betriebsmäßig eine Abschaltung zu er¬ möglichen. Wesentlich ist, daß die Gate-Elektroden hin¬ sichtlich ihrer Dicke L, ihres Abstandes d voneinander und der Soure-Drain-Strecke D so dimensioniert sind, daß sich bei einer vorgegebenen Stromstärke eine Begrenzung ein¬ stellt. Die Gate-Elektroden liegen hierbei auf frei schwe¬ bendem Potential, was auch als "Floating." bezeichnet wird. Der Halbleiterbereich kann integriert in einem Mikrochip oder auch als diskretes Bauelement ausgeführt sein.

Man erzielt oberhalb einer Überlastgrenze eine rasche Kurz¬ schluß-Strombegrenzung und kann somit Betriebsmittel oder elektrische Verteilungen schnell schützen. Hinsichtlich Leitungsschutzschaltern erzielt man den Vorteil einer star¬ ken und schnellen Strombegrenzung, man vermeidet die sonst üblichen Abbrandprobleme. Im Vergleich zu mechanischen Li¬ mitern erzielt man eine rasche hohe Strombegrenzung, ohne intakte Parallelstromkreise eines Verbrauchernetzes zu be- einträchtigen. Im Vergleich zu Kaltleitern erzielt man eine stabilere Kennlinie.

Der Halbleiterbereich kann als vertikaler "Junction"-Feld¬ effekttransistor (J-FET) ausgeführt ^• sein. Besonders vor- teilhaft ist es, den Halbleiterbereich aus einem Substrat¬ material aus Siliziumkarbid auszubilden.

Bei Einsatz einer Stromunterbrechereinrichtung kann diese als Schaltkontakt mit Auslöseeinrichtung ausgeführt sein.

Nach einer Weiterbildung ist der Halbleiterbereich mit ein¬ gebetteten Gate-Elektroden ausgeführt. Der Halbleiterbe¬ reich kann auch so weitergebildet sein, daß Gate-Elektroden an der Source-Elektrode und andere an der Drain-Elektrode angeordnet sind, bei elektrisch leitender Verbindung zur Source- bzw. zur Drain-Elektrode. Die Drain-Source-Strecke kann dann im Vergleich zu voll eingebetteten Gate-Elektro-

den in etwa halbiert werden, bei im übrigen gleichen Be¬ triebsbedingungen.

Es ist günstig, an der Source-Elektrode und an der Drain- Elektrode Kühlmittel anzuordnen, die so bemessen werden können, daß im Strom-Zeit-Diagramm der Begrenzungsstrom in¬ folge eines sich einstellenden positiven Temperaturkoeffi¬ zienten abgesenkt werden kann. Eine derartige Absenkung be¬ günstig auch ein Halbleiterbereich, der als unipolares Bau- element betrieben wird. Der pn-Übergang zwischen Gate und Drain-Source-Strecke kommt dann als Diode nicht zur Gel¬ tung, da man unterhalb der Schwellenspannung, bei SiC bei¬ spielsweise 2,8 Volt, arbeitet. Mit anderen Worten: Die zu¬ lässige Laststromdichte bleibt unterhalb der Diodendurch- laßkennlinie. Man arbeitet dann im ohmschen Bereich.

Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnun grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher er¬ läutert werden:

FIG 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel unter Einsatz eines Halbleiterbereichs mit eingebetteten Gate-Elek¬ troden. FIG 2 zeigt einen Strombegrenzer in der Darstellungsweise nach FIG 1 mit einem Halbleiterbereich, der Gate-

Elektroden aufweist, die mit der Source-Elektrode elektrisch verbunden sind und Gate-Elektroden, die mit der Drain-Elektrode in Verbindung stehen. FIG 3 zeigt eine Kennlinie des Strombegrenzers in einem Diagramm, auf dessen Ordinate der Drain-Source-Strom und auf dessen Abszisse die Drain-Source-Spannung aufgetragen ist. Dieses Diagramm veranschlaulicht beispielhaft die Arbeitsweise eines Strombegrenzers nach FIG 1. FIG 4 zeigt ein Diagramm in der Darstellungsweise nach FIG 3, das die Arbeitsweise eines Strombegrenzers nach FIG 2 beispielhaft veranschaulicht.

FIG 5 zeigt eine Kennlinie im Strom-Zeit-Diagramm für Strombegrenzer mit zusätzlichen Weiterbildungen. Der Halbleiterbereich wird hierfür als unipolares Bau¬ element betrieben oder, bzw. und, es sind Kühlmittel eingesetzt.

FIG 6 zeigt einen Strombegrenzer nach FIG 1 mit Kühlmitteln an Drain- und an Source-Elektroden wiedergegeben.

FIG 7 zeigt Kühlmittel bei einem Strombegrenzer nach FIG 2.

Der Strombegrenzer nach FIG 1 arbeitet mit einem Halblei¬ terbereich 1, mit Source-Elektrode, Source-Elektrode 2, Drain-Elektrode 3 und Gate-Elektrode 4. Die Gate-Elektrode weist keine eigene Ansteuerung auf und ist völlig einge¬ bettet. Die Gate-Elektrode 4 kann aus einzelnen Dotierungs- inseln bestehen oder auch aus einem scheibenförmigen Dotie- rungsbereich bei lochartigen Unterbrechungen hergestellt werden. Die Gate-Elektroden 4 sind hinsichtlich ihrer Dicke L, ihres Abstandes d, voneinander und der Source-Drain- Strecke D, so dimensioniert, daß sich bei einer vorgegebe- nen Stromstärke eine Strombegrenzung einstellt.

Für die Werte L = 3μm, d = lμm und D = 21μm und bei Sili¬ ziumkarbid als Substratmaterial erhält man bei einer Kenn¬ linie nach FIG 3 den eingetragenen Arbeitsbereich. Bis 230 Volt arbeitet man im linearen Bereich 8 und bei Überspan¬ nungen bis etwa 700 V bleibt man im horizontalen Begren¬ zungsbereich, so daß sich die Stromstärke I- _Q - unabhängig von der Spannung U _D g einstellt. Der lineare Bereich 8 ent¬ spricht einem ON-Widertand RON-

Gegebenenfalls kann, wie in FIG 1 veranschaulicht, dem Halbleiterbereich 1 eine Stromunterbrechereinrichtung 5 mit einem Schaltkontakt 6 in Serie zur Drain-Source-Strecke ge¬ schaltet sein. Im Auführungsbeispiel meist die Stromunter- brechereinrichtung 5 einen Schaltkontakt 6 mit Auslöseein¬ richtung 7 auf. Die Stromunterbrechereinrichtung 5 kann als Überlastrelais zum Schutz des Halbleiterbereichs bei Span-

nungen dienen, in denen nach FIG 3 die Kennlinie für hohe Drain-Source-Spannungen in einen zum Drain-Source-Strom pa¬ rallelen Bereich übergeht. Die Stromunterbrechereinrichtung 5 kann auch für betriebsmäßige Abschaltung ausgelegt sein, um einen Strombegrenzer mit Eigenschaften eines Schutzschalters, beispielsweise nach Art eines Leitungs¬ schutzschalters, zu erzielen. Der Halbleiterbereich arbei¬ tet dann als besonders guter Limiter, der es erübrigt, die Stromunterbrechereinrichtung mit Lichtbogenlöscheinrich- tungen zu versehen.

Beim Ausführungsbeispiel nach FIG 1 kann der Halbleiterbe¬ reich als vertikaler "Junction"-Feldeffekttransistor, J- FET, verstanden werden. Es ist besonders günstig, wenn der Halbleiterbereich aus einem Substratmaterial aus Silizium¬ karbid gebildet ist.

In der Weiterbildung nach FIG 2 sind Gate-Elektroden 4a an der Source-Elektrode 2 und andere Gate-Elektroden 4b an der Drain-Elektrode 3 angeordnet und mit der Source- bzw. der Drain-Elektrode elektrisch leitend verbunden. Unter sonst gleichen Bedingungen wie im Ausführungsbeispiel zu FIG 1 und 3 kann die Drain-Source-Strecke etwa auf den halben Wert verkürzt werden und man erzielt einen steileren line- aren Bereich 8 der Kennlinie, was einem niedrigeren ON-Wi- derstand RON-* entspricht. Bei Wechselspannung arbeitet man im ersten und dritten Quadranten, wie es in den Figuren 3 und 4 veranschaulicht ist. Ein Halbleiterbereich mit einem Aufbau nach FIG 2 kann also im Vergleich zu einem Halblei- terbereich im Aufbau nach FIG 1 bei gleicher Sperrspannung hinsichtlich seiner Drain-Source-Strecke halbiert werden und man erzielt einen niedrigeren Widerstand im Normalbe¬ trieb, so daß hier die ohnehin niedrigen Verluste noch niedriger werden. Entsprechend verläuft RO _* bzw. der li- neare Bereich in FIG 4 steiler als in FIG 3.

Wenn man den Halbleiterbereich 1 als unipolares Bauelement betreibt, erhält man einen positiven Temperaturkoeffizien¬ ten bezüglich RON» ^SO da abhängig vom äußeren Stromkreis sich eine lastabhängige progressive Strombegrenzung ergibt, wie sie im Strom-Zeit-Diagramm nach FIG 5 veranschaulicht ist. Das Absenken des BegrenzungsStroms mit der Zeit kann man auch durch Kühlmittel fördern, die in wärmeleitender Verbindung mit der Drain-Elektrode und mit der Source-Elek¬ trode stehen, wie es in den Figuren 6 und 7 veranschaulicht ist. Hier sind die Kühlmittel 9 als Kühlfahnen dargestellt.

Beim Halbleiterbereich erzielt man mit kleiner werdendem Abtand d zwischen den Gate-Elektroden bei sonst gleichen Bedinungen eine stärkere und frühere Abschnürung des Strom- flusses, so daß sich die Strombegrenzung im horizontalen Bereich nach den Figuren 3 und 4 bei niedrigeren Drain- Source-Strömen im Überlastbereich einstellt.