DE10131609A1 - Schutzeinrichtung der Halbleiter-Leistungselektronik mit einem Kondensator - Google Patents

Schutzeinrichtung der Halbleiter-Leistungselektronik mit einem Kondensator

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Abstract

Die Schutzeinrichtung der Halbleiter-Leistungselektronik weist zumindest einen Kondensator mit einem Dielektrikum (9) und Kondensatorflächen bildende Dünnschichten (7a, 7b) auf. Zu einer Ausbildung als strombegrenzende Kondensatoreinrichtung (6) soll wenigstens eine Dünnschicht (7a, 7b) des Kondensators zu kühlendes supraleitendes Material enthalten. Die Schutzeinrichtung ist insbesondere für die Stromrichtertechnik geeignet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Schutzeinrichtung, die parallel zu einer Schaltung der Halbleiter-Leistungselektronik oder einem Halbleiterbauteil derselben geschaltet ist und zumindest einen Kondensator aufweist, welcher durch ein Dielektrikum beabstandete, Kondensatorflächen bildende Dünnschichten aus elektrisch leitendem Material enthält. Eine entsprechende Schutzeinrichtung ist dem Buch "Moderne Stromrichterantriebe" von B. F. Grosch, Würzburg, 1998, Seiten 61 bis 72 zu entnehmen.
  • Auf vielen Gebieten der Halbleiter-Leistungselektronik, beispielweise im Leistungsteil von Spannungszwischenkreis- Umrichtern der Stromrichtertechnik für Gleichstromübertragungsanlagen oder für Drehfeldmaschinen, werden Kondensatoren eingesetzt. Entsprechende Stromrichter werden häufig Leistungshalbleitern wie insbesondere mit sogenannten IGBTs (Ingreted Gate Bipolar Transistors) oder GTOs (Gate Turn Offs = Abschaltthyristoren) konzipiert. Sie haben eine Zwischenkreiskapazität in der Größenordnung von 1 bis 10 mF mit einem Energieinhalt von bis zu 50 kJ. Dabei sind extrem geringe Induktivitäten zu gewährleisten, die nicht größer als 10 bis 20 nH sein dürfen. Die Nennströme im Spannungszwischenkreis belaufen sich auf bis zu 1500 A bei einigen 1000 V Zwischenkreisspannung. Die fortschreitende Bauelemententwicklung in der Halbleitertechnik lässt in den nächsten Jahren noch höhere Werte erwarten. Wegen des geforderten induktivitätsarmen Aufbaus sind die Leistungshalbleiter wie z. B. die IGBTS und Kondensatoren dicht zu packen. Problematisch ist jedoch der Ausfall eines Leitungshalbleiters oder ein Klemmkurzschluss, weil dann Stromanstiegssteilheiten von über 3 kA/µs, z. B. bis zu 6 kA/µs, und unbeeinflusste Kurzschlussströme von bis zu 500 kA auftreten können. Damit verbunden ist die Gefahr einer Zerstörung der zugeordneten Bauelemente oder sogar des ganzen Stromrichterleistungsteils auf Grund einer entsprechenden dynamischen wie auch thermischen Beanspruchung. Die geschätzte Ausfallrate der Bauelemente liegt bei etwa 2%.
  • Um eine Beschädigung oder Zerstörung von Bauteilen der Halbleiter-Leistungselektronik durch zu hohe Beanspruchungen zu vermeiden, müssen demnach beim Aufbau entsprechender Schaltungen verschiedene Schutzmaßnahmen vorgesehen werden. Die wesentlichsten sind gegen
    • - Überspannungen während des Betriebs und
    • - Überströme im Kurzzeit- oder Langzeitbereich (vgl. das Buch "Grundlagen der Leistungselektronik von K. Heumann, Stuttgart, 1996, Seiten 69 bis 76 und 93 bis 97).
  • Aus dem eingangs genannten Buch von B. F. Grosch sind zum Schutz von Halbleiter-Schaltern wie einzelnen Thyristoren oder Stromrichterschaltungen gegenüber Spannungen als Schutzeinrichtungen RC-Glieder aus Permanententladewiderständen in Reihe zu konventionellen Kondensatoren beschrieben. Diese parallel zu den Halbleiterschaltern oder einem entsprechenden Gerät zu schaltende Glieder dienen unter anderem zur Begrenzung der Spannungssteilheit oder zur Vergleichmäßigung der Spannungsaufteilung bei Reihenschaltungen von Halbleiterschaltern. Damit verbunden ist jedoch die Schwierigkeit, dass diese zusätzlichen Bauelemente wegen der nötigen Verschaltung und Konstruktion zusätzliche Induktivitäten in den Spannungszwischenkreis einbringen. Außerdem erzeugen resistive Bauelemente zusätzliche Verlustwärme.
  • Ferner sind in dem genannten Buch von B. F. Grosch zu einer Begrenzung der Stromsteilheit in den Bauteilen diesen vorgeschaltete Induktivitäten vorgeschlagen, wobei zusätzlich auch noch eine parallele Beschaltung mit einem RC-Glied zur Begrenzung der Spannungsanstieggeschwindigkeit vorgesehen werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Schutzeinrichtung der Leistungselektronik mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass die angesprochenen Probleme der bekannten Einrichtungen vermindert sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend ist bei der Schutzeinrichtung, die parallel zu einer Schaltung der Halbleiter-Leistungselektronik oder einem Halbleiterbauteil derselben geschaltet ist und zumindest einen Kondensator aufweist, welcher durch ein Dielektrikum beabstandete, Kondensatorflächen bildende Dünnschichten aus elektrisch leitendem Material enthält, vorgesehen, dass mit dem Kondensator eine strombegrenzende Einrichtung ausgebildet ist, wobei von den Dünnschichten des Kondensators wenigstens eine zu kühlendes supraleitendes Material enthält. Einzelheiten der Leistungselektronik sind dabei dem vorstehend erwähnten Buch von K. Neumann zu entnehmen.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einem Kondensator, dessen wenigstens eine Kondensatorfläche supraleitendes Material enthält, eine besonders einfache strombegrenzende Schutzeinrichtung der Leistungselektronik mit einem besonders induktivitätsarmen Aufbau auszubilden ist. Die wenigstens eine supraleitende Dünnschicht bildet nämlich dabei in einem strombegrenzenden Quenchfall des Supraleitermaterials eine Resistanz bzw. einen stromstärkeabhängigen ohmschen Widerstand. Damit verbunden sind insbesondere folgende Vorteile:
    • - Die Zerstörung des Leistungsteils in Folge eines Klemmkurzschlusses oder die Zerstörung des restlichen Leistungsteils bei Ausfall eines Leistungshalbleiters mit der Auswirkung einer stoßartigen Entladung der Zwischenkreiskapazität kann ausgeschlossen werden.
    • - Weiterhin kann die Dimensionierung der Bauelemente hinsichtlich der Beanspruchung bei Kurzschluss wegen der strombegrenzenden Wirkung des Kondensators dadurch verbessert werden, dass hier geringere Sicherheitsfaktoren einzuhalten sind. Dies führt zu einem entsprechenden Einspareffekt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der strombegrenzenden Kondensatoreinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
  • So ist es als besonders vorteilhaft anzusehen, wenn zumindest die an die Kondensatoreinrichtung elektrisch direkt angeschlossenen Bauelemente der Leistungselektronik ebenfalls supraleitendes Material enthalten. Wegen der dann erforderlichen Anordnung dieser Bauelemente wie insbesondere Leistungs- MOSFETs auf der Tieftemperatur des Supraleitermaterials ist eine höhere Ausnutzung auf Grund von geringeren Durchlassverlusten bei dieser Temperatur zu erreichen. Dies führt auch zu einer Einsparung von Masse, Volumen und Kosten.
  • Als Supraleitermaterial kann vorteilhaft metalloxidisches Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur Tc vorgesehen sein.
  • Vorzugsweise ist die Kondensatoreinrichtung in einem Spannungszwischenkreis eines Stromrichters angeordnet. Gerade eine derartige Leistungselektronik erfordert geringe Stromanstiegssteilheiten, die mit der Verwendung des supraleitenden Materials auf vorteilhaft einfache Weise zu gewährleisten sind.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kondensatoreinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen in schematischer Darstellung
  • Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Schaltung einer Leistungselektronik mit einer strombegrenzenden Kondensatoreinrichtung,
  • Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Kondensatoreinrichtung als Schnittbild (in Teilfigur a) bzw. in Aufsicht (in Teilfigur b),
  • Fig. 3 bis 7 jeweils in einer Schnittbildansicht je eine weitere Ausführungsform einer solchen Kondensatoreinrichtung, sowie
  • Fig. 8 den Strom- bzw. Spannungsverlauf einer Kondensatoreinrichtung an einem Antrieb.
  • Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wird von einer bekannten Umrichterschaltung für eine Drehfeldmaschine ausgegangen (vgl. z. B. das eingangs erwähnte Buch von B. F. Grosch, Seiten 168 bis 174). Von dem allgemein mit 2 bezeichneten Teil der Schaltung einer Leistungselektronik sind in der Figur lediglich ein Maschinenstromrichter oder Wechselrichter 3 sowie ein Spannungszwischenkreis 4 angedeutet. Beide Schaltungsteile sind an eine Gleichspannung Uz angeschlossen. Der Spannungszwischenkreis 4 enthält dabei eine an diese Gleichspannung angelegte strombegrenzende Kondensatoreinrichtung 6. Diese Kondensatoreinrichtung wird gemäß der dargestellten Ausführungsform durch wenigstens einen Kondensator gebildet, der supraleitendes Material enthalten soll. Die Figur zeigt das Ersatzbild dieser Kondensatoreinrichtung in Form einer Hintereinanderschaltung von regelbaren Widerständen 6a und 6b und einer dazwischenliegenden Kapazität 6c.
  • Vorstehend wurde angenommen, dass die Kondensatoreinrichtung 6 nur aus einen einzigen Kondensator mit supraleitenden Material besteht. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung auch mehrere, beispielweise parallel oder hintereinander geschaltete Kondensatoren umfassen, von denen zumindest einer wenigstens eine supraleitende Kondensatorfläche besitzt. Der Kondensator kann auch ein Element eines Netzwerks sein, sofern seine strombegrenzende Wirkung zum Tragen kommt.
  • Ferner braucht die strombegrenzende Kondensatoreinrichtung 6 nicht einer ganzen Schaltung der Leistungselektronik wie z. B. dem Wechselrichter 3 zugeordnet zu sein. Vielmehr kann die Kondensatoreinrichtung zu einer Strombegrenzung auch zu einem einzelnen Leistungshalbleiterelement wie z. B. einem Thyristor parallel geschaltet zu sein (vgl. das genannte Buch von B. F. Grosch, Seite 64). Als Leistungshalbleiterelement kommen dabei nicht nur Hauteile der Si-Technik, sondern auch de SiC- Technik in Frage.
  • Der Schichtaufbau einer Kondensatoreinrichtung 6 für eine Schutzeinrichtung nach der Erfindung ist aus Fig. 2 im Schnittbild (Teil a) bzw. in Aufsicht (Teil b) ersichtlich. Die Kondensatoreinheit lässt sich auf Basis von Dünnfilm- Supraleiterschichten 7a und 7b in an sich bekannter Weise herstellen (vgl. z. B. WO 98/18139). Als Supraleitermaterialien sind prinzipiell alle diesbezüglich bekannten Materialien wie z. B. die klassischen metallischen Materialien NbTi oder Nb3Sn geeignet. Letztgenannte Materialien erfordern eine He-Kühltechnik. Vorzugsweise werden die supraleitenden Schichten aus metalloxidischem Hochtemperatursupraleiter(HTS)-Material, insbesondere aus YBa2Cu3O7 (YBCO), jeweils auf einem geeigneten Untergrund abgeschieden. Solche HTS- Materialien erlauben gegebenenfalls auch eine N2-Kühltechnik. Die Schichten 7a und 7b stellen schaltende Elemente im Falle des Überschreitens der kritischen Stromdichte des Supraleitermaterials (im sogenannten "Quenchfall") dar und begrenzen resistiv den Kondensatorstromstoss wirkungsvoll bereits bei einem Stromanstieg. Dieses schutztechnische Wirkungsprinzip ist das eines Primärauslösers.
  • Einkristalline YBCO-Schichten mit kritischen Stromdichten Jc im Bereich von etwa 104 A/cm2 bis zu 106 A/cm2 werden erfolgreich auf verschiedensten Substraten wie z. B. Saphir, Keramiken mit gegebenenfalls darauf befindlichen Pufferschichten hergestellt. Da sich ein übliches Substrat 8 als Dielektrikum mit beidseitiger supraleitender Dünnschicht im Allgemeinen nicht eignet, ist ein Mehrschicht-Aufbau erforderlich. Dementsprechend wird auf einem geeigneten Substrat 8 mit oder ohne Pufferschicht die erste supraleitende Dünnschicht 7a aufgebracht und mit einem Dielektrikum 9 mit oder ohne Pufferschicht abgedeckt. In einem weiteren Schritt wird dann die zweite supraleitende Dünnschicht 7b mit oder ohne Pufferschicht erzeugt. Eventuelle Pufferschichten sind dann erforderlich, wenn ungleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien Scherkräfte beim Aufheizen oder Abkühlen so groß werden lassen, dass die Schichten zerstört werden. Eine Pufferschicht, die quasi einkristallin, biaxial oder texturiert sein kann, ist auch dann notwendig, wenn sich mangels kristalliner Orientierung kein geeignetes Kornwachstum beim Beschichten der supraleitenden Schichten erreichen lässt. Außerdem sind Gesichtspunkte einer Spannungsfestigkeit zu berücksichtigen. Hierzu können Pufferschichten beitragen, die sogenannte "Pinholes' vermeiden lassen, welche zu elektrischen Durchschlägen führen können. Das Supraleitermaterial kann auch strukturiert sein, um bezüglich des Schaltverhaltens einem Anwendungsfall angepasste Strom-/Spannungscharakteristika aufzuweisen. Auf diese Weise ist eine Begrenzung auf einen Schwellwert festzulegen, an dem bestimmte Stromwerte oder Leistungshalbleiterkennwerte überschritten werden.
  • Das Dielektrikum 9 dient als eine Zwischenlage, welche eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von etwa 103 bis 104 aufweist. Als besonders geeignet sind deshalb Materialien aus keramischen Verbindungen anzusehen, wenn sie ein ähnliches Kornwachstum wie die supraleitenden Dünnschichten ermöglichen. Dementsprechend geeignet sind Bariummetatitanat, Strontiumtitanat sowie (Blei-)Zirkoniumtitanat (sogenanntes PZT), gegebenenfalls mit Lanthanzusatz (sogenanntes PLZT), bekannte ferroelektrische Verbindungen aus der Familie Pb(Zr,Ti)O3. Keramische Dielektrika weisen im Allgemeinen temperaturabhängige Dielektrizitätskonstanten auf. Durch geeignete Einbindung mindestens eines zusätzlichen Elementes wie z. B. Zr kann ein Maximum der Dielektrizitätskonstanten bei der Betriebstemperatur von z. B. 77 K eingestellt werden. Dabei kann durch eine Zunahme des Anteils an Zr bei einer Ba (ZrxTi1-x)O3- Keramik der Curie-Punkt in geeigneter Weise verschoben werden. Ist das Dielektrikum 9 oder eine darauf liegende Pufferschicht nicht O2-diffusionsbeständig, kann vorteilhaft eine zusätzliche O2-diffusionsträge Schicht aufgebracht werden, welche die Degradation der YBCO-Schicht durch O2-Entzug unterbindet.
  • Die Kontaktierung der supraleitenden Dünnschichten 7a und 7b erfolgt mittels geeigneter Kontaktwerkstoffe wie z. B. aus Au Ag oder aus einer ihrer Legierungen. Bei der Beschichtung zur Herstellung entsprechender Kontaktstege 10a bzw. 10b werden bereits geeignete Masken verwendet, die nach Aufbringung aller Schichten die Kontaktierung der beidseitig des Dielektrikums liegenden Schichten erlaubt.
  • Vorteilhaft kann auf eine Kontaktierung mittels Kontaktstegen zumindest teilweise verzichtet werden, wenn die mit der supraleitenden Dünnschicht 7a oder 7b elektrisch zu verbindenden Teile einer Halbleiter-Leistungselektronik direkt auf der Fläche der jeweiligen Dünnschicht angeordnet und mit dieser kontaktiert bzw. "gebondet" werden. Es ergibt sich so eine hybride Bauweise, die sich durch eine besondere Induktivitätsarmut auszeichnet.
  • Um die betriebsmäßigen Strom- und Spannungsverläufe abdecken zu können, ist eine Dimensionierung bezüglich Länge, Breite und Dicke der supraleitenden Schichten 7a und 7b vorzunehmen. Auch unter diesem Gesichtspunkt kann eine Strukturierung hilfreich sein.
  • Zur Herstellung strombegrenzender Kondensatoreinrichtungen 6 kann vorteilhaft eine Beschichtung mit dem Supraleitermaterial auch auf Bändern in Form von Folien vorgenommen werden. Hierbei kann auf eine Herstellungstechnik konventioneller Kondensatoren zurück gegriffen werden. Demgemäß werden zunächst geeignete Bänder bei etwa 1200 bis 1400°C gesintert, wobei durch Rekristallisationseffekte die gewünschten Eigenschaften wie insbesondere die Dielektrizitätswerte zu erhalten sind. Vor dem Sintern wird noch plastifiziert, um so Folien zu erhalten. Nach dem Sintern werden Kontaktwerkstoffe aufgedampft in Form von Legierungen aus Ag, Sn, Ni oder anderen Metallen. Analog zu diesem Stand der Technik kann man zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kondensatoreinrichtung beidseitig auf eine Folie zunächst eine HTS-Schicht aufbringen, bevor anschließend kontaktiert wird.
  • Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel wird ein Substrat aus YSZ (Y-stabilisiertem ZrO2) mit einer Dicke D von etwa 0,5 mm mit YBCO-Material einer Dicke d von etwa 300 nm beschichtet. Diese Schicht wird dann mit einem Dielektrikum der Dicke δ von z. B. 300 nm abgedeckt, wobei als Material Ba (ZrxTi1-x)O3 vorgesehen wird. Die Dicke des Dielektrikums ist dabei nach unten begrenzt, z. B. auf 50 nm, da eine Pinhole-freie Fläche ausreichend dimensioniert gegen Durchschlag bzw. Spannungsfestigkeit sein muss. Das Dielektrikum wird dann mit einer der unteren Supraleitungsschicht 7a entsprechenden Dünnschicht 7b versehen. Schließlich werden noch die Kontaktierungsstege 10a und 10b z. B. aus einer Au-Legierung angebracht. Es ergibt sich so eine Gesamtdicke der Beschichtung auf dem Substrat 8 in der Größenordnung von bis zu 2 µm. Für eine Substratfläche von 100 cm2 abzüglich den Kontaktierungsflächen der Kontaktstege lässt sich so eine Kapazität von 1 mF bei einer Dielektrizitätszahl von 6000 erreichen.
  • Ein weiterer Bearbeitungsschritt ist die Strukturierung der Kondensatoren auf dem Wafer, insbesondere wenn kleinere Kapa- zitäten benötigt werden. Durch sogenannte "Pinholes' geschädigte Kondensatoren können dann aussortiert werden.
  • Die in Fig. 3 dargestellte, mit 16 bezeichnete Kondensatoreinrichtung unterscheidet sich gegenüber der Kondensatoreinrichtung 6 nach Fig. 2 (Teil a) im Wesentlichen dadurch, dass zwischen dem Substrat 8 und der Supraleiterschicht 7a eine erste Pufferschicht 11a, zwischen der Supraleiterschicht 7a und dem Dielektrikum 9 eine O2-diffusionshemmende Schicht 12, eine sogenannte "Capping Layer", und zwischen dem Dielektrikum 9 und der oberen Supraleiterschicht 7b eine weitere Pufferschicht 11b vorgesehen sind. Die Dicke der Pufferschichten 11a und 11b, die z. B. aus YSZ bestehen, liegt im Allgemeinen zwischen 50 und 100 nm, während die O2 -diffusionshemmende Schicht 12 eine Dicke zwischen 20 und 50 nm aufweisen kann. Die übrigen Materialien und Dicken entsprechen beispielsweise denen des Ausführungsbeispieles nach den Fig. 2a und 2b.
  • Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass beide die Kondensatorflächen bildenden Dünnschichten der Kondensatoreinheit aus supraleitendem, insbesondere HTS-Material bestehen. Für eine erfindungsgemäße Ausbildung der Kondensatoreinrichtung ist dies jedoch im Hinblick auf die angestrebte strombegrenzende Wirkung nicht unbedingt erforderlich. Es reicht auch aus, wenn eine der beiden Dünnschichten aus supraleitendem Material hergestellt ist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer Kondensatoreinrichtung 17 zeigt Fig. 4. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 ist die oberste Schicht nicht aus einem Supraleitermaterial mit oder ohne Pufferschicht gefertigt, sondern wird von einem Kontaktwerkstoff wie z. B. Au oder Ag oder durch ein anderes normalleitendes Metall oder eine Metallegierung gebildet. Die entsprechende Kontaktschicht ist mit 22 bezeichnet. D. h., es wird auf einen bezüglich des Dielektrikums 9 symmetrischen Aufbau verzichtet. Dies entspricht in dem Ersatzschaltbild der Fig. 1 bei der Betriebstemperatur der Einrichtung einer Reihenschaltung mit einem rein ohmschen Widerstand (z. B. dem Widerstand 6a). Der Widerstand der einzigen Supraleiterschicht 7a ist dabei verschwindend gering und erhöht sich erst in einem Quenchfall. Die einzige Supraleiterschicht 7a kann selbstverständlich auch hier gegenüber dem Substrat 8 durch eine Pufferschicht und/oder gegenüber dem Dielektrikum durch eine Capping-Layer beabstandet sein.
  • Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Kondensatoreinrichtung 18 mit einem Dielektrikum, für welches ein Band, bestehend z. B. aus einer plastifizierten keramischen Folie 23 wie z. B. aus Bariummetatitanat, dient. Diese Folie ist beidseitig mit einer supraleitenden Dünnschicht 7a bzw. 7b versehen, welche über Kontaktstege 10a bzw. 10b kontaktiert sind.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, bei der Ausführungsform nach Fig. 5 Pufferschichten zwischen dem Dielektrikum in Form einer keramischen Folie 23 und den supraleitenden Dünnschichten 7a und 7b vorzusehen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer Kondensatoreinrichtung 19 zeigt Fig. 6.
  • Gegenüber den Ausführungsformen 18 und 19 nach den Fig. 5 und 6 ist auch eine asymmetrische Ausbildung der Kondensatoreinrichtung gemäß Fig. 4 möglich. Fig. 7 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer solchen Kondensatoreinrichtung 20 mit einem Dielektrikum in Form einer plastifizierten keramischen Folie 23, die einseitig mit einer Schicht 22 aus einem Kontaktwerkstoff und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer supraleitenden Schicht 7a mit oder ohne dazwischen liegender Pufferschicht 11a versehen ist. Es ergibt sich auch hier in dem Ersatzschaltbild der Fig. 1 bei der Betriebstemperatur ein rein ohmscher Reihenwiderstand für die Schicht 22.
  • Aus den Fig. 8a und 8b ist jeweils in einem Diagramm der typische Spannungsverlauf bzw. Stromverlauf über einer erfindungsgemäßen Zwischenkreiskapazität im Spannungszwischenkreis eines 1MW-Antriebs über eine Periode von 360 Grad veranschaulicht. Die Kapazität hat einen typischen Wert von 7 mF, eine mittlere Betriebsspannung von 2,8 kV und einen Energieinhalt von etwa 28 kJ bei einer Frequenz des Stromes von 750 bis 800 Hz. Damit repräsentiert die angegebene Periode eine Frequenz von 16,7 Hz. In dem Doppeldiagramm sind in Ordinatenrichtung der Strom in Ampere (Teil a) bzw. die Spannung in Volt (Teil b) und in Abszissenrichtung der Drehwinkel φ aufgetragen. Wie aus Teil a der Figur deutlich zu entnehmen ist, kann mit der Verwendung einer erfindungsgemäßen Kondensatoreinrichtung ein Überschreiten von unzulässigen Stromspitzen vermieden werden.
  • Erfindungsgemäße Kondensatoreinrichtungen sind für alle Schaltungen der Leistungselektronik einsetzbar, in denen die Entladung eines Kondensators mit den Folgen einer hohen Stromanstiegssteilheit unerwünscht ist, und wo eine Strombegrenzung erforderlich ist, um so Zerstörungen von Bauelementen der Elektronik zu vermeiden. Typische Anwendungsbeispiele sind Überspannungsschutzbeschaltungen mit Ausgangskapazitäten, Schaltentlastungen mit Ausgangskapazitäten insbesondere an MOSFETs (Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekt-Transistoren) und Glättungsschaltungen, bei denen eine Kapazität parallel zur Last in einem Netzteil oder einem Gleichspannungszwischenkreis geschaltet wird. Entsprechende Schaltungen sind insbesondere auf dem Gebiet der Stromrichtertechnik für Umrichter mit einer Kapazität in einem Spannungszwischenkreis einsetzbar, z. B. für den Maschinenbau und besonders vorteilhaft für alle mobilen Anwendungen wie der Bahn- oder Schiffstechnik, wo es auf eine platzsparende Bauweise ankommt. Neue Antriebskonzepte auf diesen Gebieten sehen beispielsweise supraleitende Umrichtertransformatoren vor, da hier wegen des mobilen Einsatzes Ausführungsformen mit geringem Platzbedarf notwendig sind. Die Anwesenheit einer dann ohnehin vorhandenen Kryoanlage lässt die Frage nach einer kryogekühlten Leistungselektronik aufkommen. Für entsprechend gekühlte Stromrichter mit Spannungszwischenkreis sind Leistungs-MOSFETs besonders geeignet, da ihre Durchlassverluste proportional zur Temperaturverringerung sinken. Selbstverständlich sind auch IGBTs einsetzbar, auch wenn deren Durchlassverluste nur verhältnismäßig geringfügig mit der Temperatur abnehmen.
  • Ebenso sind erfindungsgemäße Kondensatoreinrichtungen für statische Umrichter z. B. von Spannungsversorgungen einsetzbar. Auch ein Einsatz im Resonanzkreis einer Energiespeichereinrichtung (vgl. GB 2 350 507 A) oder als Kopplungskondensator im Kopplungsnetzwerk eines Analog-Digital-Konverters (vgl. US 6, 157, 329 A) ist möglich.

Claims (14)

1. Schutzeinrichtung, die parallel zu einer Schaltung der Halbleiter-Leistungselektronik oder einem Halbleiterbauteil derselben geschaltet ist und zumindest einen Kondensator aufweist, welcher durch ein Dielektrikum beabstandete, Kondensatorflächen bildende Dünnschichten aus elektrisch leitendem Material enthält, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als strombegrenzende Kondensatoreinrichtung (6, 16 bis 20) mit dem Kondensator, von dessen Dünnschichten (7a, 7b) wenigstens eine zu kühlendes supraleitendes Material enthält.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die mit der Kondensatoreinrichtung elektrisch direkt verbundenen Bauteile der Leistungselektronik ebenfalls supraleitendes Material enthalten.
3. Einrichtung nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als supraleitendes Material metalloxidisches Hochtemperatursupraleiter-Material vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dielektrikum (9) und mindestens einer der Dünnschichten (7a, 7b) eine Pufferschicht (11a, 11b) angeordnet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dielektrikum (9) und mindestens einer der Dünnschichten (7a, 7b) eine eine Sauerstoffdiffusion hemmende Schicht (12) angeordnet ist.
6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der wenigstens einen Dünnschicht (7a, 7b) aus supraleitendem Material direkt ein Bauteil der Halbleiter-Leistungselektronik (2) angeordnet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen Dünnschicht (7a, 7b) aus supraleitendem Material und einem Bauteil der Halbleiter-Elektronik (2) wenigstens ein Kontaktsteg (10a, 10b) ausgebildet ist.
8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Dünnschichten (7a, 7b) ein Dielektrikum (9) aus einem metalloxidischen, insbesondere keramisches Material angeordnet ist.
9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichten (7a, 7b) und das Dielektrikum (9) auf einem Substrat (8) angeordnet sind.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum von einer Folie (23) gebildet ist, die beidseitig mit den Dünnschichten (7a, 7b) versehen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (23) aus einer plastifizierten Keramik gebildet ist.
12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kondensatoreinrichtung mit einer Reihen- oder Parallelschaltung von mehreren Kondensatoren, von denen zumindest einer wenigstens eine supraleitende Dünnschicht aufweist.
13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (6) in einem Spannungszwischenkreis (4) eines Stromrichters (3) angeordnet ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (3) Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs) oder Abschaltthyristoren (GTOs) oder Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs) aufweist.
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