DE10048436A1 - Elektronische Leistungsschaltervorrichtung - Google Patents

Elektronische Leistungsschaltervorrichtung

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DE10048436A1
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    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Abstract

Elektronische Leistungsschaltervorrichtung zum schnellen Schalten von Strömen im kA-Bereich bei Tieftemperatur-Niveau, bei der wenigstens zwei Leistungshalbleiter-Bauelemente (1) gemeinsam zwischen zwei flächigen Druckkontaktstücken (2) angeordnet und von den Druckkontaktstücken (2) druckkontaktiert und zueinander parallel geschaltet sind, und bei der jedes Leistungshalbleiter-Bauelement (1) ein Feldeffekttransistor ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Leistungsschalter­ vorrichtung zum Schalten hoher elektrischer Ströme, bei der wenigstens zwei Leistungshalbleiter-Bauelemente gemeinsam zwischen zwei Druckkontaktstücken angeordnet und von den Druckkontaktstücken druckkontaktiert und zueinander parallel geschaltet sind.

Eine Vorrichtung der genannten Art ist beispielsweise aus Y. Takahashi et al.: "Ultra high-power 2.5 kV-1800 A Power Pack IGBT", Proceedings of the International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs '97, S. 233-236 (1997), aus T. Koga et al.: "Ruggedness and Reliability of the 2.5 kV- 1.8 kA Power Pack IGBT with a Novel Multi-Collektor Struc­ ture", Proceedings of 1998 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, S. 437-440 (1998) oder aus H. Kon et al.: "The 4500 V-750 A planar Gate Press Pack IEGT" Proceedings of 1998 International Symposium on Power Semicon­ ductor Devices & ICs, S. 81-84 (1998) bekannt.

Bei diesen Vorrichtungen bestehen die Leistungshalbleiter- Bauelemente aus IGBTs oder aus IEGTs. Diese Vorrichtungen können hohe elektrische Ströme von 750 A oder 1,8 kA schalten. Die Sperrspannung dieser Vorrichtungen liegt bei 4 kV oder 2,5 kV.

Auch stehen Vorrichtungen der genannten Art zur Verfügung, bei denen die Leistungshalbleiter-Bauelemente Thyristoren, abschaltbaren Thyristoren oder GTO-Thyristoren sind.

Insbesondere für leistungselektronische Anwendungen bei tie­ fen Temperaturen, z. B. bei SMES (Superconducting Magnetic E­ nergie Storage), sind nicht nur möglichst geringe transiente, sondern auch geringe statische Verluste von Leistungsschaltern extrem wichtig. Grund für diese Anforderung ist, dass alle entstehenden Verluste auf Tieftemperatur-Niveau, z. B. bei 100 K, durch Kühlmittel/Kühlsysteme aufgefangen werden müssen, deren Kühlleistung nur mit relativ geringem Wirkungs­ grad erzeugt werden kann.

Ein weiteres Problem ist dabei die Anforderung einer kompak­ ten Anordnung zum Einsparen von Raum und zur Reduzierung von parasitären Induktivitäten mit effizienter Kühlmöglichkeit. Bisher sind kompakte Großleistungs-Halbleiterbauelemente als GTO-Thyristoren bzw. Thyristoren und als IGBTs verfügbar. Ab­ gesehen von bei tiefen Temperaturen auftretenden Problemen der Materialeigenschaften (Stabilität, Festigkeit usw.) fal­ len diese Bauelemente entweder bei tiefen Temperaturen aus oder verbessern ihre statischen elektrischen Eigenschaften nur relativ leicht, bzw. gar nicht.

Bisherige Lösungen der Problemstellung wurden realisiert durch

  • a) verhältnismäßig langsame und teuere mechanische Schalter,
  • b) eine Vielzahl parallelgeschalteter einzelner Leistungs­ halbleitermodule wie IGBTs, oder
  • c) durch relativ langsam schaltende GTO-Thyristoren oder Thyristoren.

Bisher sind Anwendungen von Leistungselektronik bei tiefen Temperaturen allein durch die Problemstellung, z. B. in Raum­ fahrt- und Satellitenanwendungen, erzwungen, wo allerdings noch relativ geringe Ströme und Leistungen auftreten. Hier behilft man sich, indem man auf diskrete Bauelemente und Kom­ ponenten mit MIL-Spezifikation zurückgreift, bzw. ggf. zu­ sätzlich heizt.

Das Problem, elektronische Leistungsschalter zum schnellen Schalten hoher Ströme speziell zum Einsatz bei tiefen Tempe­ raturen mit sowohl geringen transienten als auch statischen Verlusten und überdies einem kompakten Aufbau bereitzustel­ len, ist noch weitgehend ungelöst.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Leistungs­ schaltervorrichtung zum schnellen Schalten hoher elektrischer Ströme bei tiefen Temperaturen bereitzustellen, die sowohl geringe transiente als auch statische Verluste und überdies einen kompakten Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merk­ male gelöst.

Danach besteht die Lösung in einer elektronischen Leistungs­ schaltervorrichtung zum Schalten hoher elektrischer Ströme, bei der wenigstens zwei Leistungshalbleiter-Bauelemente ge­ meinsam zwischen zwei flächigen Druckkontaktstücken angeord­ net und von den Druckkontaktstücken druckkontaktiert zueinan­ der parallel geschaltet sind, und bei der jedes Leistungs­ halbleiter-Bauelement ein Feldeffekttransistor ist.

Der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Halbleiterbau­ elemente, die mit tieferen Temperaturen wirklich signifikante Verbesserungen im statischen und dynamischen Verhalten zei­ gen, Feldeffekttransistoren, z. B. MOSFETs sind, die jedoch bisher nur als diskrete Elemente mit vergleichsweise geringer Stromtragfähigkeit verfügbar waren.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich vorteil­ hafterweise hohe Ströme insbesondere im kA-Bereich und spe­ ziell bei Tieftemperatur-Niveau, beispielsweise bei 100 K, schnell schalten. Die Sperrspannung kann im kV-Bereich lie­ gen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhafterweise als eine kompakte Parallelschaltung von vorzugsweise mehr als zwei Feldeffekttransistoren in Scheibenzellenbauweise reali­ sierbar, d. h. die Feldeffekttransistoren sind unter Druck in einem Gehäuse eingespannt, so dass der hohe Strom, der Last­ strom, über die vorzugsweise großflächigen Druckkontaktstücke zu- und/oder abgeführt werden kann.

Zur Ansteuerung des Gate-Elektroden der Feldeffekttransisto­ ren können problemlos spezielle Zuleitungen vorgesehen sein, die in geeigneter Weise in das Scheibenzellengehäuse einge­ passt sind, ähnlich wie bei den Gate-Elektroden der IGBTs der aus den erwähnten Dokumenten bekannten Scheibenzellenkonzepte für IGBTs mit Sperrspannungen, die über 2 kV liegen. Damit können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hohe Ströme mit­ tels einer elektronischen Ansteuerung schnell geschaltet wer­ den.

Bei Thyristoren und abschaltbaren Thyristoren wird das Schei­ benzellenkonzept bereits seit längerer Zeit eingesetzt.

Vorteile dieser Scheibenzellenbauweise sind:

  • - Platzsparender und einfacherer Aufbau durch Kompaktbauweise
  • - Niederinduktiver Aufbau durch Wegfall der Verschienung
  • - Gute Wärmeableitung durch Druckkontakttechnik
  • - Vereinfachung der Ansteuerung
  • - Verbesserter Explosionsschutz
  • - Erhöhte Betriebssicherheit durch Kurzschluss im Fehlerfall eines Bauelements, wobei ein Aufbau mit redundanten Bauele­ menten möglich ist

Speziell für Anwendungen bei tiefen Temperaturen bieten MOS­ FETs den Vorteil, dass durch sie nicht nur die dynamischen, sondern auch die statischen Eigenschaften stark verbessert werden. Damit ist ein wirtschaftlicher Betrieb erreichbar. Um die genannten Vorteile in großtechnischen Anlagen nutzen zu können, ist die Bereitstellung in kompakter Scheibenzellen­ bauweise erforderlich.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Feldeffekttransistor ein MOSFET.

Die Erfindung wird der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektronische Leistungsschaltervorrichtung in Seitenansicht und ist schematisch und nicht maßstäblich.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung zum Schalten hoher elektrischer Ströme, sind z. B. drei Feldeffekttransistoren 1 speziell jeweils in Form eines MOSFETs gemeinsam zwischen zwei flächigen Druckkon­ taktstücken 2 angeordnet.

Drei Feldeffekttransistoren 1 wurden der einfacheren Darstel­ lung wegen gewählt, tatsächlich ist die Anzahl der Feldef­ fekttransistoren 1 meist erheblich größer, da bei der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung umso höhere Ströme schnell geschal­ tet werden können, je höher die Anzahl Feldeffekttransisto­ ren 1 ist.

Die Feldeffekttransistoren 1 sind von den Druckkontaktstü­ cken 2 druckkontaktiert und zueinander parallel geschaltet.

Die Druckkontaktstücke 2 druckkontaktieren die Source- Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 jedes Feldeffekttransis­ tors 1, welche Elektroden 11 und 12 auf einander gegenüber­ liegenden Seiten jedes Feldeffekttransistors 1 angeordnet sind.

Beispielsweise seien die Source-Elektrode 11 auf der Obersei­ te und Drain-Elektrode 12 auf der Unterseite jedes Feldef­ fekttransistors 1 angeordnet. Dementsprechend druckkontak­ tiert das der Oberseite jedes Feldeffekttransistors 1 gegenü­ berliegende obere Druckkontaktstück 2 die Source-Elektroden 11 aller Feldeffekttransistoren 1 und das der Unterseite je­ des Feldeffekttransistors 1 gegenüberliegende untere Druckkontaktstück 2 die Drain-Elektroden 11 aller Feldeffekttran­ sistoren 1.

Die aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Metall bestehenden Druckkontaktstücke 2 kontaktieren die Elektroden 11 und 12 nicht direkt, obgleich letzteres ebenso möglich ist, sondern indirekt über den Feldeffekttransistoren 1 indi­ viduell zugeordnete Kontaktzwischenstücke 21 und 22 aus e­ lektrische leitendem Material, vorzugsweise Metall.

Jedes einem Feldeffekttransistor 1 zugeordnete Kontaktzwi­ schenstück 21 ist zwischen der Source-Elektrode 11 dieses Feldeffekttransistors 1 und dem oberen Druckkontaktstück 2 angeordnet.

Jedes einem Feldeffekttransistor 1 zugeordnete Kontaktzwi­ schenstück 22 ist zwischen der Drain-Elektrode 12 dieses Feldeffekttransistors 1 und dem unteren Druckkontaktstück 2 angeordnet.

Das obere Druckkontaktstück 2 und das untere Druckkontakt­ stück 2 werden gegeneinander gedrückt und pressen dabei das Kontaktzwischenstück 21 jedes Feldeffekttransistors 1 gegen die Source-Elektrode 11 dieses Feldeffekttransistors 1 und das Kontaktzwischenstück 22 jedes Feldeffekttransistors 1 ge­ gen die Drain-Elektrode 12 dieses Feldeffekttransistors 1.

Durch den dadurch bewirkten innigen flächigen Kontakt zwi­ schen jedem Druckkontaktstück 2 jedem einzelnen Kontaktzwi­ schenstück 21 oder 22, den innigen flächigen Kontakt zwischen der Source-Elektrode 21 jedes Feldeffekttransistors 1 und dem dieser Elektrode 21 zugeordneten Kontaktzwischenstück 21 und den innigen flächigen Kontakt zwischen der Drain-Elektrode 22 jedes Feldeffekttransistors 1 und dem dieser Elektrode 22 zu­ geordneten Kontaktzwischenstück 22 entsteht eine sehr gute elektrische Verbindung zwischen allen Feldeffekttransistoren 1 über die Druckkontaktstücke 2.

Die einzelnen Feldeffekttransistoren 1 und/oder die Kontakt­ zwischenstücke 21 bzw. 22 sind nicht seitlich aneinandergren­ zend zwischen den Druckkontaktstücken 2 angeordnet, sondern es ist ein Zwischenraum 20 zwischen ihnen vorhanden, in wel­ chem nicht dargestellte Zuleitungen für die ebenfalls nicht dargestellten Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 1 problemlos aufgenommen werden können.

Die zwischen den Druckkontaktstücken 2 angeordneten Feldef­ fekttransistoren 1 sind vorzugsweise unter Druck in einem bruchstückhaft und im Schnitt angedeuteten Gehäuse 3 einge­ spannt, so dass der hohe Laststrom über die Druckkontaktstü­ cke 2 zu- und/oder abgeführt wird.

Claims (3)

1. Elektronische Leistungsschaltervorrichtung zum Schalten hoher elektrischer Ströme, bei der wenigstens zwei Leistungs­ halbleiter-Bauelemente (1) gemeinsam zwischen zwei flächigen Druckkontaktstücken (2) angeordnet und von den Druckkon­ taktstücken (2) druckkontaktiert und zueinander parallel ge­ schaltet sind, und bei der jedes Leistungshalbleiter- Bauelement (1) ein Feldeffekttransistor ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zwischen den Druck­ kontaktstücken (2) angeordneten Feldeffekttransistoren (1) sind unter Druck in einem Gehäuse (3) eingespannt, so dass der hohe Strom über die Druckkontaktstücke (2) zu- und/oder abgeführt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Feldeffekt­ transistor (1) ein MOSFET ist.
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