DE102005047101B3 - Semiconductor switch arrangement e.g. power semiconductor switch unit, for e.g. rectifier circuit, has insulated gate bipolar transistor with gate connections and load line between collector and emitter connections - Google Patents

Semiconductor switch arrangement e.g. power semiconductor switch unit, for e.g. rectifier circuit, has insulated gate bipolar transistor with gate connections and load line between collector and emitter connections Download PDF

Info

Publication number
DE102005047101B3
DE102005047101B3 DE102005047101A DE102005047101A DE102005047101B3 DE 102005047101 B3 DE102005047101 B3 DE 102005047101B3 DE 102005047101 A DE102005047101 A DE 102005047101A DE 102005047101 A DE102005047101 A DE 102005047101A DE 102005047101 B3 DE102005047101 B3 DE 102005047101B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
igbt
semiconductor switch
diode
double
emitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102005047101A
Other languages
German (de)
Inventor
Martin Dr. Ruff
Hans-Günter Dr. Eckel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies Austria AG
Original Assignee
Infineon Technologies Austria AG
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies Austria AG, Siemens AG filed Critical Infineon Technologies Austria AG
Priority to DE102005047101A priority Critical patent/DE102005047101B3/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102005047101B3 publication Critical patent/DE102005047101B3/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0611—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region
    • H01L27/0641—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region without components of the field effect type
    • H01L27/0647—Bipolar transistors in combination with diodes, or capacitors, or resistors, e.g. vertical bipolar transistor and bipolar lateral transistor and resistor
    • H01L27/0652—Vertical bipolar transistor in combination with diodes, or capacitors, or resistors
    • H01L27/0664—Vertical bipolar transistor in combination with diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
    • H01L29/7396—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions
    • H01L29/7397—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions and a gate structure lying on a slanted or vertical surface or formed in a groove, e.g. trench gate IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4837—Flying capacitor converters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/168—Modifications for eliminating interference voltages or currents in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors
    • H03K17/66—Switching arrangements for passing the current in either direction at will; Switching arrangements for reversing the current at will

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

The arrangement has a double-side controllable insulated gate bipolar transistor (IGBT) (T) with an emitter-side gate connection (G1), a collector-side gate connection (G2) and a load line between a collector connection (C) and an emitter connection (E). The IGBT (T) accepts a double sided blocking condition, a double sided conducting condition, a condition conducting in forward direction and blocking in backwards direction and a condition blocking in forward direction and conducting in backwards direction, depending on a control of the gate connections (G1, G2). Independent claims are also included for the following: (1) a rectifier circuit with a switchable power semiconductor switch unit that is realized as a semiconductor switch arrangement (2) a half wave bridge circuit with a switchable power semiconductor switch unit that is realized as a semiconductor switch arrangement (3) a method for controlling a semiconductor switch arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschalteranordnung, insbesondere eine Halbleiterschalteranordnung zur Verwendung als Schaltelement in einem Stromrichter oder einer Halbbrücke, sowie ein Ansteuerverfahren für eine Halbleiterschalteranordnung in einer Halbbrücke.The The invention relates to a semiconductor switch arrangement, in particular a semiconductor switch arrangement for use as a switching element in a power converter or half-bridge, as well as a driving method for one Semiconductor switch assembly in a half-bridge.

1 zeigt eine bekannte Halbbrücke, wie sie beispielsweise zur Ansteuerung induktiver Lasten eingesetzt wird. Die Halbbrücke weist zwei IGBT T10, T20 auf, deren Laststrecken (Kollektor-Emitter-Strecken) C-E in Reihe zwischen Klemmen für ein erstes Versorgungspotential V+ und ein zweites Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND geschaltet sind. Ein Ausgang OUT dieser Halbbrücke ist durch einen den Laststrecken der beiden IGBT T10, T20 gemeinsamen Knoten gebildet. Die induktive Last L weist zwei Anschlussklemmen K1, K2 auf, von denen einer an den Ausgang OUT der Halbbrückenschaltung angeschlossen ist und von denen der andere entweder auf Bezugspotential GND oder auf Versorgungspotential V+ liegt. Das Anschließen dieses dem Ausgang OUT abgewandten Anschlusses K2 der induktiven Last an Versorgungs- oder Bezugspotential V+, GND kann beispielsweise über eine weitere, nicht näher dargestellte Halbbrückenschaltung erfolgen. 1 shows a known half-bridge, as used for example for driving inductive loads. The half-bridge has two IGBT T10, T20 whose load paths (collector-emitter paths) CE are connected in series between terminals for a first supply potential V + and a second supply potential or reference potential GND. An output OUT of this half-bridge is formed by a node common to the load paths of the two IGBT T10, T20. The inductive load L has two terminals K1, K2, one of which is connected to the output OUT of the half-bridge circuit and of which the other is either at reference potential GND or at supply potential V +. The connection of this terminal OUT of the terminal K2 of the inductive load to supply or reference potential V +, GND can be done for example via a further, not shown, half-bridge circuit.

Es sei nun angenommen, dass der zweite Anschluss K2 der induktiven Last L auf Bezugspotential GND liegt und dass die Last L getaktet an eine zwischen den Klemmen für Versorgungspotential und Bezugspotential anliegende Versorgungsspannung angeschlossen werden soll. Während eines solchen Ansteuerzyklus wird zunächst der erste IGBT T10 leitend angesteuert, während der zweite IGBT T20 sperrt. Die Last L wird dann in der in 1 angezeichneten Richtung von einem Laststrom IL durchflossen. Nach Sperren des ersten IGBT T10 muss parallel zu der Induktivität L ein leitender Strompfad vorhanden sein, um einen die Induktivität L nach Sperren des ersten IGBT T10 in der angezeigten Richtung durchfließenden Freilaufstrom aufzunehmen. Als Freilaufelement dient dabei eine parallel zu der Laststrecke des zweiten IGBT T20 geschaltete Diode D20, die im Freilauffall in der in 1 eingezeichneten Richtung von einem Strom durchflossen wird. Eine solche Diode D20 parallel zu dem zweiten IGBT T20 ist erforderlich, da IGBTs – anders als MOSFET – nicht in der Lage sind, einen negativen Laststrom, d.h. einen negativen Kollektor-Emitter-Strom Ice zu führen.It is now assumed that the second terminal K2 of the inductive load L is at reference potential GND and that the load L is clocked to be connected to a voltage applied between the terminals for supply potential and reference potential supply voltage. During such a drive cycle, the first IGBT T10 is first turned on while the second IGBT T20 is turned off. The load L will then be in the in 1 Traced by a load current IL traversed direction IL. After disabling the first IGBT T10, a conductive current path must be provided in parallel to the inductance L to receive a free-wheeling current flowing through the inductance L after blocking the first IGBT T10 in the indicated direction. The freewheeling element used here is a diode D20 connected in parallel with the load path of the second IGBT T20 1 is traversed by a stream in the direction shown. Such a diode D20 in parallel to the second IGBT T20 is required because IGBTs - unlike MOSFETs - are not able to carry a negative load current, ie a negative collector-emitter current Ice.

Der zweite IGBT T20 wird für die zuvor erläuterte Ansteuerung der induktiven Last L nicht benötigt. Dieser IGBT T20 ist jedoch dann erforderlich, wenn der zweite Anschluss K2 der Induktivität L auf Versorgungspotential V+ liegt und die Induktivität L an die Versorgungsspannung angeschlossen werden soll. In diesem Fall wird der zweite IGBT T20 leitend angesteuert. Nach Sperren des zweiten IGBT T20 übernimmt in diesem Betriebsfall eine parallel zu dem ersten IGBT T10 geschaltete Diode D10 die Funktion des Freilaufelements.Of the second IGBT T20 will be for the previously explained Control of the inductive load L not required. However, this IGBT T20 is then required if the second terminal K2 of the inductance L to supply potential V + is and the inductance L to be connected to the supply voltage. In this Case, the second IGBT T20 is turned on. After locking of the second IGBT T20 takes over in this operating case, a parallel to the first IGBT T10 switched Diode D10 the function of the freewheeling element.

Die Schalteranordnung mit einem IGBT und einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode verhindert bei sperrend angesteuertem IGBT und positiver Kollektor-Emitter-Spannung Uce einen Stromfluss durch die Anordnung und ermöglicht bei positiver Kollektor-Emitter-Spannung Uce und leitend angesteuertem IGBT einen Stromfluss, der auch als Stromfluss in Vorwärtsrichtung bezeichnet wird, bei geringem Einschaltwiederstand. Darüber hinaus ermöglicht die Freilaufdiode bei negativer Kollektor-Emitter-Spannung einen Stromfluss in Rückwärtsrichtung. IGBT und antiparallel geschaltete Diode werden üblicherweise gemeinsam in einem Modul integriert, worunter zu verstehen ist, dass der IGBT und die Diode in getrennten Halbleiterchips, jedoch in einem gemeinsamen Gehäuse und in dem Gehäuse gegebenenfalls auf einem gemeinsamen Träger (Leadframe) angeordnet werden. Allerdings ist auch eine Integration von IGBT und Diode in einem möglich. Bei gegebener Chipfläche ist hierbei stets eine Abwägung hinsichtlich der Optimierung der beiden Bauelemente erforderlich. Hierbei ist zu beachten, dass der Flächenbedarf des IGBT mit zunehmender Stromtragfähigkeit steigt. Auf der anderen Seite steigt auch der Flächenbedarf für die Diode mit zunehmender gewünschter Stromtragfähigkeit dieser Diode. Übliche derartige Halbleiterschalteranordnungen mit einem IGBT und einer parallelen Diode werden so dimensioniert, dass die Fläche des IGBT an der gesamten Chipfläche etwa 2/3 beträgt, während die Fläche der Diode etwa 1/3 beträgt.The Switch arrangement with an IGBT and an anti-parallel connected Free-wheeling diode prevents blocking IGBT and positive collector-emitter voltage Uce a current flow through the arrangement and allows for positive collector-emitter voltage Uce and conducting IGBT conduct a current, also called current flow in the forward direction is called, at low Einschaltwiederstand. Furthermore allows the freewheeling diode at negative collector-emitter voltage a current flow in Reverse direction. IGBT and antiparallel connected diode are usually common in one Integrated module, which means that the IGBT and the Diode in separate semiconductor chips, but in a common casing and in the housing, if necessary on a common carrier (leadframe) to be ordered. However, there is also an integration of IGBT and diode in one possible. For a given chip area This is always a consideration regarding the optimization of the two components required. It should be noted that the space requirement of the IGBT with increasing current carrying capacity increases. On the other hand, the area required for the diode increases with increasing the desired ampacity this diode. usual Such semiconductor switch assemblies with an IGBT and a parallel diode are dimensioned so that the area of the IGBT on the entire chip area is about 2/3, while the area the diode is about 1/3.

Grundsätzlich nicht erforderlich ist eine solche parallel geschaltete Diode bei doppelseitig steuerbaren IGBTs, wie sie beispielsweise in Sittig et al.: "Monolithic Bidirectional Switches promise superior characteristics", Power Electronic Specialists Conference 2004, Aachen, Konferenz CD, beschrieben sind.Basically not is required such a parallel diode in double-sided controllable IGBTs, as described, for example, in Sittig et al .: "Monolithic Bidirectional Switches promise superior characteristics ", Power Electronic Specialists Conference 2004, Aachen, Conference CD.

2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines solchen doppelseitig steuerbaren IGBT, der neben einer ersten Gate-Elektrode G1, die der Gate-Elektrode eines herkömmlichen IGBT entspricht, eine zweite Gate-Elektrode G2 aufweist. Diese zweite Gate-Elektrode G2 dient dazu, im angesteuerten Zustand einen n-leitenden Kanal in der p-dotierten Kollektorzone des IGBT auszubilden, wodurch der doppelseitig gesteuerte IGBT in der Lage ist, bei negativer Kollektor-Emitter-Spannung Uce einen negativen Kollektorstrom Ice zu führen. Sind bei einem solchen doppelseitig gesteuerten IGBT beide Gate-Elektroden G1, G2 angesteuert, so verhält sich der IGBT wie ein unipolares Bauelement und kann rasch abhängig von der Polung der angelegten Spannung durch Sperren einer der beiden Gate-Elektroden in den sperrenden Zustand geführt werden. 2 shows the electrical equivalent circuit diagram of such a double-sided controllable IGBT having a second gate electrode G2 in addition to a first gate electrode G1, which corresponds to the gate electrode of a conventional IGBT. This second gate electrode G2 serves to form an n-type channel in the p-doped collector zone of the IGBT in the driven state, whereby the double-sided controlled IGBT is able to supply a negative collector current Ice when the collector-emitter voltage Uce is negative to lead. Are at In such a double-sided controlled IGBT, both gate electrodes G1, G2 are driven, the IGBT behaves as a unipolar device and can be rapidly switched to the blocking state depending on the polarity of the applied voltage by blocking one of the two gate electrodes.

Würde man in der Halbbrücke gemäß 1 beispielsweise den zweiten IGBT T20 mit der antiparallelen Diode D20 durch einen doppelseitig gesteuerten IGBT ersetzen, so könnte dieser doppelseitig gesteuerte IGBT während der Zeitdauer, während der ein Freilaufstrom fließen soll, doppelseitig angesteuert werden, um den Freilaufstrom zu übernehmen. Kritisch ist hierbei jedoch der Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand. Bevor der obere Schalter der Halbbrücke (in 1 der IGBT T10) wieder leitend angesteuert wird, muss der als doppelseitiger IGBT realisierte untere Schalter in einen Zustand gebracht werden, bei welchem dieser positive Kollektor-Emitter-Spannungen sicher sperrt. Um bis zum Einschalten des ersten Schalters T10 weiterhin einen Freilaufstrom zu ermöglichen, müsste hierzu die erste Gate-Elektrode G1 sperrend angesteuert werden, während die zweite Gate-Elektrode G2 leitend angesteuert bleibt. In diesem Betriebszustand funktioniert der doppelseitig gesteuerte IGBT als bipolare Freilaufdiode und wird innerhalb weniger 100ns mit Ladungsträgern überflutet. Würde der erste Schalter T10 nun eingeschaltet, so müssten diese Ladungsträger erst abfließen, bevor der doppelseitig gesteuerte IGBT bei positiver Kollektor-Emitter-Spannung Uce tatsächlich sperrt. Bis zum vollständigen Sperren dieses doppelseitig gesteuerten IGBT würde ein Querstrom fließen, was aus Gründen der Verlustleistungsminimierung allerdings unerwünscht ist.Would you in the half bridge according to 1 For example, replace the second IGBT T20 with the anti-parallel diode D20 by a double-sided controlled IGBT, so this double-sided controlled IGBT could be controlled double-sided during the period during which a freewheeling current to flow to take over the freewheeling current. Critical here, however, is the transition from the conducting to the blocking state. Before the upper switch of the half bridge (in 1 the IGBT T10) is again turned on, the lower switch realized as a double-sided IGBT has to be brought into a state in which this positive collector-emitter voltage is reliably blocked. In order to continue to enable a freewheeling current until the first switch T10 is switched on, the first gate electrode G1 would have to be driven in a blocking manner while the second gate electrode G2 remains conducting. In this operating state, the double-sided controlled IGBT functions as a bipolar freewheeling diode and is flooded with charge carriers within a few 100 ns. If the first switch T10 were now switched on, then these charge carriers would have to flow away before the double-sided controlled IGBT actually blocks when the collector-emitter voltage Uce is positive. Until complete blocking of this double-sided controlled IGBT, a cross-flow would flow, which is undesirable for reasons of power dissipation.

Die US 5,485,023 beschreibt einen einseitig sperrenden IGBT mit zwei Steuerelektroden sowie eine Schaltungsanordnung mit einem solchen IGBT und einer parallel zu einer Laststrecke des IGBT geschalteten Diode. The US 5,485,023 describes a one-way blocking IGBT with two control electrodes and a circuit arrangement with such an IGBT and a parallel to a load path of the IGBT diode connected.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine steuerbare Halbleiterschalteranordnung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, wahlweise einen Stromfluss in einer ersten Stromrichtung zu ermöglichen, einen Stromfluss in einer zu der ersten Stromrichtung entgegengesetzten zweiten Stromrichtung zu ermöglichen und die rasch von einem in der zweiten Richtung leitenden in einen in der ersten Richtung sperrenden Zustand ü- berführt werden kann. Ziel der Erfindung ist es außerdem ein Verfahren zur Ansteuerung einer steuerbaren Halbleiterschalteranordnung in einer Halbbrücke zur Verfügung zu stellen.aim It is the object of the present invention to provide a controllable semiconductor switch arrangement to disposal to be able to selectively provide a current flow in one to allow the first direction of current a current flow in a direction opposite to the first current direction second flow direction to allow and the rapidly leading from one in the second direction into one in the first direction blocking state ü- can be transferred. Object of the invention it is as well a method for driving a controllable semiconductor switch assembly in a half bridge to disposal to deliver.

Diese Ziele werden durch eine steuerbare Halbleiterschalteranordnung gemäß Anspruch 1 und durch Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8 erreicht.These Targets are achieved by a controllable semiconductor switch arrangement according to claim 1 and achieved by the method according to claims 7 and 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße steuerbare Halbleiterschalteranordnung umfasst einen doppelseitig steuerbaren IGBT mit einem ersten Gate-Anschluss, einem zweiten Gate-Anschluss und einer Laststrecke zwischen einem Kollektoranschluss und einem Emitteranschluss, sowie ein parallel zu der Laststrecke geschaltetes Gleichrichterelement.. Die Aufgabe des Gleichrichterelementes besteht darin, während einer Umschaltphase des IGBT lediglich kurzzeitig einen Stromfluss zu übernehmen, so dass keine besonderen Anforderungen an die Durchlassverluste dieses Gleichrichterelements zu stellen sind, dass Schaltverhalten aber für geringe Schaltverluste optimiert ist.The controllable according to the invention Semiconductor switch assembly comprises a double-sided controllable IGBT with a first gate terminal, a second gate terminal and a load path between a collector terminal and a Emitter connection, as well as a parallel to the load path switched Rectifier element .. The task of the rectifier element consists in it, while a switching phase of the IGBT only briefly a current flow to take over, so no special requirements for the passage losses This rectifier element are to provide that switching behavior but for low switching losses is optimized.

Der IGBT und das Gleichrichterelement können in separaten Halbleiterchips integriert werden, die in einem gemeinsamen Modul angeordnet sind. Der Halbleiterchip mit dem Gleichrichterelement ist dabei vorzugsweise so dimensioniert sein, dass er nur etwa 1% bis 10% der gesamten Chipfläche, d.h. der Summe der Chipfläche des IGBT-Chip und des Chip mit dem Gleichrichterelement besitzt. Der IGBT und das Gleichrichterelement können auch in einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert werden, wobei das Gleichrichterelement hierbei vorzugsweise so dimensioniert ist, dass es nur etwa 1% bis 10% der Chipfläche dieses Halbleiterchips besitzt.Of the IGBT and the rectifier element may be in separate semiconductor chips integrated, which are arranged in a common module. Of the Semiconductor chip with the rectifier element is preferably be sized so that it only about 1% to 10% of the total Chip area, i.e. the sum of the chip area of the IGBT chip and the chip with the rectifier element. The IGBT and the rectifier element can also be used in a common Semiconductor chip can be integrated, wherein the rectifier element This is preferably dimensioned so that it is only about 1% to 10% of the chip area owns this semiconductor chip.

Das Gleichrichterelement ist vorzugsweise als Diode mit einem pn-Übergang ausgebildet.The Rectifier element is preferably a diode with a pn junction educated.

Die erfindungsgemäße Halbleiterschalteranordnung ist insbesondere als Schaltelement in einer Halbbrückenschaltung einsetzbar. Eine solche Halbbrückenschaltung umfasst ein erstes und ein zweites Halbleiterschaltelement mit jeweils einer Laststrecke, wobei die Laststrecken in Reihe geschaltet sind. Die Halbbrückenschaltung weist einen Ausgang zum Anschließen einer Last auf, die durch einen den Laststrecken gemeinsamen Knoten gebildet ist. Wenigstens eines der beiden Halbleiterschaltelemente ist bei dieser Halbbrückenschaltung entsprechend der zuvor erläuterten Halbleiterschalteranordnung mit einem doppelseitig steuerbaren IGBT und einer parallel zu dem IGBT geschalteten Freilaufdiode ausgebildet. Eine solche Halbbrückenschaltung eignet sich insbesondere zur Ansteuerung einer induktiven Last.The inventive semiconductor switch arrangement is in particular as a switching element in a half-bridge circuit used. Such a half-bridge circuit includes a first and a second semiconductor switching element, respectively a load path, wherein the load paths are connected in series. The half-bridge circuit has an output for connecting a load passing through a node common to the load paths is formed. At least one of the two semiconductor switching elements is in this half-bridge circuit according to the previously explained Semiconductor switch arrangement with a double-sided controllable IGBT and a freewheeling diode connected in parallel with the IGBT. Such a half-bridge circuit is particularly suitable for driving an inductive load.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.The The present invention will be explained in more detail below with reference to figures.

1 zeigt eine Halbbrückenschaltung mit zwei IGBT und parallel zu den IGBT geschalteten Freilaufdioden nach dem Stand der Technik. 1 shows a half-bridge circuit with two IGBT and parallel to the IGBT connected freewheeling diodes according to the prior art.

2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines doppelseitig steuerbaren IGBT nach dem Stand der Technik. 2 shows the electrical equivalent circuit diagram of a double-side controllable IGBT according to the prior art.

3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleiterschalteranordnung. 3 shows the electrical equivalent circuit diagram of a controllable semiconductor switch arrangement according to the invention.

4 zeigt im Querschnitt einen Halbleiterkörper mit einer darin integrierten erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleiterschalteranordnung. 4 shows in cross section a semiconductor body with an integrated therein controllable semiconductor switch assembly according to the invention.

5 veranschaulicht unterschiedliche Betriebszustände eines doppelseitig steuerbaren IGBT. 5 illustrates different operating states of a double-sided controllable IGBT.

6 zeigt eine Halbbrücke mit zwei Schaltelementen, von denen das Low-Side-Schaltelement als Halbleiterschalteranordnung nach 3 ausgebildet ist, zur Ansteuerung einer induktiven Last. 6 shows a half-bridge with two switching elements, of which the low-side switching element as a semiconductor switch arrangement according to 3 is designed to control an inductive load.

7 veranschaulicht zeitliche Verläufe von Strömen in der Schaltung nach 6. 7 illustrates time traces of currents in the circuit 6 ,

8 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Halbleiterkörper gemäß 4 zur Veranschaulichung der flächenmäßigen Dimensionierung des doppelseitig steuerbaren IGBT und des Freilaufelements. 8th schematically shows a plan view of the semiconductor body according to 4 to illustrate the areal dimensioning of the double-sided controllable IGBT and the freewheeling element.

9 veranschaulicht den zeitlichen Ablauf der Schaltzustände des Low-Side-Schaltelements in der Halbbrücke gemäß 6. 9 illustrates the timing of the switching states of the low-side switching element in the half-bridge according to 6 ,

10 zeigt eine Halbbrücke mit zwei Schaltelementen, von denen das High-Side-Schaltelement als Halbleiterschalteranordnung nach 3 ausgebildet ist, zur Ansteuerung einer induktiven Last. 10 shows a half-bridge with two switching elements, of which the high-side switching element as a semiconductor switch arrangement according to 3 is designed to control an inductive load.

11 zeigt eine mit erfindungsgemäßen Halbleiterschalteranordnungen realisierten Stromrichter. 11 shows a realized with inventive semiconductor switch assemblies power converter.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente, Bauelementbereiche und Signale mit gleicher Bedeutung.In denote the figures, unless otherwise indicated, like reference numerals same components, component areas and signals with the same Importance.

3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleiterschalteranordnung. Diese Halbleiterschalteranordnung weist einen doppelseitig steuerbaren IGBT T mit einem ersten und zweiten Gateanschluss G1, G2 sowie einer zwischen einem Kollektoranschluss C und einem Emitteranschluss E verlaufenden Laststrecke auf. Parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke des IGBT T ist ein Freilaufelement, das in dem Beispiel als Diode D ausgebildet ist, geschaltet. Diese Diode D ist in Flussrichtung zwischen Emitter E und Kollektor C des IGBT T geschaltet. 3 shows the electrical equivalent circuit diagram of a controllable semiconductor switch arrangement according to the invention. This semiconductor switch arrangement has a double-sided controllable IGBT T with a first and a second gate terminal G1, G2 and a load path extending between a collector terminal C and an emitter terminal E. Parallel to the collector-emitter path of the IGBT T is a freewheeling element, which is formed in the example as a diode D, connected. This diode D is connected in the flow direction between emitter E and collector C of the IGBT T.

Diese steuerbare Halbleiterschalteranordnung ist in der Lage, bei einer positiven Kollektor-Emitter-Spannung Uce, d.h. bei einer Spannung mit einer in 3 eingezeichneten Spannungsrichtung, durch Ansteuerung der ersten Gate-Elektrode G1 einen positiven Kollektorstrom Ice wahlweise zuzulassen oder zu sperren. Als positiver Kollektorstrom oder Strom in Vorwärtsrichtung wird nachfolgend ein Strom bezeichnet, der in der in 3 eingezeichneten Richtung fließt. Ein negativer Strom oder Strom in Rückwärtsrichtung fließt entsprechend in der entgegengesetzten Richtung.This controllable semiconductor switch assembly is capable of at a positive collector-emitter voltage Uce, ie at a voltage with a in 3 drawn voltage direction, by selectively activating or blocking a positive collector current Ice by driving the first gate electrode G1. As a positive collector current or current in the forward direction, a current is referred to below, in the in 3 drawn direction flows. A negative current or reverse current accordingly flows in the opposite direction.

Die Halbleiterschalteranordnung leitet in Vorwärtsrichtung, wenn an die erste Gate-Elektrode G1 ein geeignetes positives Ansteuerpotential angelegt wird und sperrt in Vorwärtsrichtung bei Nichtanlegen eines solchen Ansteuerpotentials an die erste Gate-Elektrode G1. Die Art der Ansteuerung der zweiten Gate-Elektrode G2 ist für das Sperren der Halbleiterschalteranordnung in Vorwärtsrichtung unerheblich.The Semiconductor switch assembly conducts forward when connected to the first Gate electrode G1 is applied a suitable positive driving potential and locks in the forward direction when not applying such a drive potential to the first gate electrode G1. The way of driving the second gate electrode G2 is for blocking the semiconductor switch assembly in the forward direction irrelevant.

Die steuerbare Halbleiterschalteranordnung ist darüber hinaus in der Lage, in Rückwärtsrichtung, d.h. bei Anlegen einer negativen Kollektor-Emitter-Spannung Uce, einen Strom in Rückwärtsrichtung zu führen. Dieser Strom fließt über den doppelseitig steuerbaren IGBT T, wenn an dessen zweite Gate-Elektrode G2 ein geeignetes Ansteuerpotential angelegt wird. Ein solcher Strom in Rückwärtsrichtung kann bei gesperrtem IGBT T darüber hinaus über die parallel geschaltete Diode D fließen. Die Aufgabe der Diode D besteht darin, den in Rückwärtsrichtung fließenden Strom während eines noch zu erläuternden Umschaltvorgangs kurzzeitig zu übernehmen. Diese Diode D kann im Vergleich zu dem IGBT T sehr klein dimensioniert werden. Des Weiteren sind an die Durchlassverluste dieser Diode keine besonderen Anforderungen zu stellen. Vorzugsweise ist die Diode jedoch hinsichtlich eines schnellen und sanften Schaltverhaltens optimiert.The controllable semiconductor switch assembly is also capable of in Reverse direction, i. upon application of a negative collector-emitter voltage Uce, a Current in reverse direction respectively. This current flows over the double-sided controllable IGBT T, if at the second gate electrode G2 a suitable driving potential is applied. Such a stream in reverse direction can over it with locked IGBT beyond the parallel diode D flow. The task of the diode D is in the reverse direction flowing Electricity during one to be explained Toggle temporarily to take over. This diode D can be very small compared to the IGBT T. become. Furthermore, the forward losses of this diode are none special requirements. Preferably, the diode however, in terms of a fast and smooth switching behavior optimized.

4 zeigt einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper bzw. Halbleiterchip 100, in dem ein erfindungsgemäßes steuerbares Halbleiterschalterelement mit einem doppelseitig steuerbaren IGBT T und einer parallel geschalteten Diode D integriert ist. 4 shows a cross section through a semiconductor body or semiconductor chip 100 in which a controllable semiconductor switch element according to the invention with a double-sided controllable IGBT T and a diode D connected in parallel is integrated.

Der IGBT T ist in dem Beispiel als vertikaler Trench-IGBT realisiert. Das Bauelement umfasst eine p-dotierte Halbleiterschicht 12, die die p-Basis des IGBT bildet, eine schwach n-dotierte Halbleiterschicht 13, die die n-Basis bildet und die sich an die p-Basis anschließt, und im Bereich der Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 100 eine weitere p-dotierte Halbleiterschicht 15, die den p-Emitter bzw. Kollektor des IGBT bildet. Im Bereich der Vorderseite 101 sind eine oder mehrere n-dotierte Halbleiterzonen 11 angeordnet, die den n-Emitter des IGBT bilden und die durch die p-Basis 12 von der n-Basis 13 getrennt sind. Ausgehend von der Vorderseite 101 erstreckt sich wenigstens ein Graben mit einer darin angeordneten Gate-Elektrode 21 in den Halbleiterkörper 100 hinein, wobei die Gate-Elektrode 21 mittels einer Gate-Isolation 22 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert ist. Diese erste Gate-Elektrode 21 dient zur Ausbildung eines n-leitenden Kanals in der p-Basis 12 zwischen dem n-Emitter 11 und der n-Basis 13 bei Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials an die erste Gate-Elektrode G1.The IGBT T is realized in the example as a vertical trench IGBT. The device comprises a p-doped semiconductor layer 12 , which forms the p-base of the IGBT, a weakly n-doped semiconductor layer 13 , which forms the n-base and which connects to the p-base, and in the area of the back 102 of the semiconductor body 100 another p-doped Semiconductor layer 15 , which forms the p-emitter or collector of the IGBT. In the area of the front 101 are one or more n-doped semiconductor zones 11 arranged, which form the n-emitter of the IGBT and that through the p-base 12 from the n-base 13 are separated. Starting from the front 101 at least one trench extends with a gate electrode arranged therein 21 in the semiconductor body 100 into it, the gate electrode 21 by means of a gate insulation 22 opposite to the semiconductor body 100 is isolated. This first gate electrode 21 serves to form an n-channel in the p base 12 between the n-emitter 11 and the n-base 13 upon application of a suitable drive potential to the first gate electrode G1.

Vorzugsweise ist zwischen der n-Basis 13 und dem p-Emitter 15 eine n-dotierte Feldstoppzone 14 angeordnet, die höher als die n-Basis 13 dotiert ist und die bei Anlegen einer Sperrspannung ein Durchgreifen des elektrischen Feldes bis an die Rückseite 102 des Bauelements verhindert.Preferably, between the n-base 13 and the p-emitter 15 an n-doped field stop zone 14 arranged higher than the n-base 13 is doped and the application of a reverse voltage, a penetration of the electric field to the back 102 prevents the component.

Der dargestellte doppelseitig steuerbare IGBT unterscheidet sich von einem herkömmlichen Trench-IGBT dadurch, dass im Bereich der Rückseite 102 wenigstens ein weiterer Graben mit einer darin angeordneten zweiten Gate-Elektrode 23 vorhanden ist. Diese zweite Gate-Elektrode 23 erstreckt sich ausgehend von der Rückseite 102 in den Halbleiterkörper hinein und ist mittels einer zweiten Gate-Isolation 24 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert. Aufgabe dieser zweiten Gate-Elektrode 23 ist es, bei geeigneter Ansteuerung einen n-leitenden Kanal in dem p-Emitter 15 zwischen der n-Basis 13 bzw. der Feldstoppzone 14 und den im Bereich der Rückseite 102 angeordneten weiteren n-Emitterzonen 16 zu erzeugen.The illustrated double-sided controllable IGBT differs from a conventional trench IGBT in that in the area of the back 102 at least one further trench with a second gate electrode disposed therein 23 is available. This second gate electrode 23 extends from the back 102 into the semiconductor body and is by means of a second gate insulation 24 opposite to the semiconductor body 100 isolated. Task of this second gate electrode 23 it is, with suitable control, an n-channel in the p-emitter 15 between the n-base 13 or the field stop zone 14 and in the area of the back 102 arranged further n-emitter zones 16 to create.

Auf die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 ist eine erste Anschlusselektrode 31 aufgebracht, die den Emitter-Anschluss E des IGBT bildet und die die p-Basis 12 und die im Bereich der Vorderseite 101 angeordneten n-Emitter 11 kurzschließt. Auf die Rückseite 102 ist eine weitere 32 aufgebracht, die den Kollektoranschluss C bildet, und die den p-Emitter und im Bereich der Rückseite angeordneten weiteren n-Emitter 16 kurzschließt.On the front 101 of the semiconductor body 100 is a first connection electrode 31 applied, which forms the emitter terminal E of the IGBT and the p-base 12 and in the area of the front 101 arranged n-emitter 11 shorts. On the back 102 is another 32 applied, which forms the collector terminal C, and the p-emitter and arranged in the region of the back further n-emitter 16 shorts.

In dem selben Halbleiterkörper 100 ist die parallel zu dem IGBT geschaltete Diode realisiert, wobei ein Übergangsbereich zwischen dem IGBT und der Diode, der beispielsweise einen geeigneten Randabschluss für den IGBT umfasst, in 4 nicht dargestellt sind. Die Diode weist eine p-dotierte Halbleiterzone 41 im Bereich der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers auf, die den p-Emitter bzw. die Anode dieser Diode bildet. Im Bereich der Rückseite 102 des Halbleiterkörpers ist eine stark n-dotierte Halbleiterzone 43 vorhanden, die den n-Emitter bzw. die Kathode dieser Diode bildet. Zwischen der Anodenzone 41 und der Kathodenzone 43 ist eine schwach n-dotierte Halbleiterzone 42 vorhanden, die die n-Basis dieser Diode bildet. Die Anodenzone 41 ist durch die erste Anschlusselektrode 31 kontaktiert, die gleichzeitig den Emitteranschluss des IGBT bildet. Die Kathodenzone 43 ist durch die zweite Anschlusselektrode 32 kontaktiert, die gleichzeitig den Kollektoranschluss des IGBT bildet.In the same semiconductor body 100 the diode connected in parallel with the IGBT is realized, wherein a transition region between the IGBT and the diode, which comprises for example a suitable edge termination for the IGBT, in 4 are not shown. The diode has a p-doped semiconductor zone 41 in the area of the front 101 of the semiconductor body, which forms the p-emitter or the anode of this diode. In the area of the back 102 of the semiconductor body is a heavily n-doped semiconductor zone 43 present, which forms the n-emitter or the cathode of this diode. Between the anode zone 41 and the cathode zone 43 is a weakly n-doped semiconductor zone 42 present, which forms the n-base of this diode. The anode zone 41 is through the first connection electrode 31 which simultaneously forms the emitter terminal of the IGBT. The cathode zone 43 is through the second connection electrode 32 which simultaneously forms the collector terminal of the IGBT.

Der doppelseitig steuerbare IGBT T kann mehrere unterschiedlicher Betriebszustände annehmen, die von der Polung der Kollektor-Emitter-Spannung Uce und von der Ansteuerung der ersten und zweiten Gate-Elektroden G1, G2 abhängig sind. Diese unterschiedlichen Betriebszustände des doppelseitig steuerbaren IGBT – ohne Berücksichtigung der bei der Schaltung nachOf the Double-sided controllable IGBT T can assume several different operating states that of the polarity of the collector-emitter voltage Uce and of the Actuation of the first and second gate electrodes G1, G2 are dependent. These different operating states of the double-sided controllable IGBT - without consideration the at the circuit after

3 antiparallel geschalteten Diode D – werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 erläutert. 3 antiparallel-connected diode D - are described below with reference to 5 explained.

In einem ersten Betriebszustand, der nachfolgend als beidseitig sperrender Zustand bezeichnet wird, ist der IGBT in der Lage, Spannungen sowohl in Vorwärtsrichtung, d.h. positive Kollektor-Emitter-Spannungen als auch Spannungen in Rückwärtsrichtung, d.h. negative Kollektor-Emitter-Spannungen zu sperren. Die beiden Gate-Elektroden G1, G2 sind in diesem Fall sperrend angesteuert, d.h. an diesen Gate-Elektroden liegt ein Ansteuerpotential an, welches nicht ausreicht, um n-leitende Kanäle in der p-Basis 12 bzw. dem p-Emitter 15 auszubilden.In a first mode of operation, hereinafter referred to as a mutually blocking condition, the IGBT is capable of blocking both forward, ie positive collector-emitter and reverse voltages, ie, negative collector-emitter voltages. In this case, the two gate electrodes G1, G2 are driven in a blocking manner, that is, at these gate electrodes there is a drive potential which is insufficient to form n-conducting channels in the p-base 12 or the p-emitter 15 train.

Zwischen Kollektor C und Emitter E sind in diesem Betriebszustand zwei entgegengesetzte pn-Übergänge angeordnet, eine erster pn-Übergang zwischen dem p-Emitter und der n-Basis 13, und ein zweiter pn-Übergang zwischen p-Basis 12 und dem n-Emitter 13.Between collector C and emitter E, two opposite pn junctions are arranged in this operating state, a first pn junction between the p-emitter and the n-base 13 , and a second pn junction between p-base 12 and the n-emitter 13 ,

Während des zuvor erläuterten doppelseitig sperrenden Zustandes verhält sich der doppelseitig steuerbare IGBT wie ein herkömmlicher sperrend angesteuerter IGBT.During the previously explained Double-sided blocking state behaves the double-sided controllable IGBT like a conventional one blocking controlled IGBT.

In einem zweiten Betriebszustand, der nachfolgend als beidseitig leitender Betriebszustand bezeichnet wird, leitet der IGBT sowohl bei Anlegen einer positiven Kollektor-Emitter-Spannung als auch bei Anlegen einer negativen Kollektor-Emitter-Spannung. Beide Gate-Elektroden G1, G2 sind in diesem Betriebszustand derart angesteuert, dass n-leitende Kanäle in dem p-Emitter 15 und der p-Basis 12 ausgebildet werden. In diesem Betriebszustand ist in keiner Richtung ein sperrender pn-Übergang in dem Bauelement vorhanden. Der IGBT funktioniert in diesem Betriebszustand als unipolares Bauelement. Ausgehend von diesem Betriebszustand, der auch als High-Speed-Zustand bezeichnet wird, kann das Bauelement mit besonders geringen Schaltverlusten abgeschaltet werden, d.h. bei spielsweise in den doppelseitig sperrenden Zustand durch geeignetes Ansteuern der Gate-Elektroden G1, G2 überführt werden.In a second operating state, hereinafter referred to as a double-ended conducting state, the IGBT conducts both when a positive collector-emitter voltage is applied and when a negative collector-emitter voltage is applied. Both gate electrodes G1, G2 are driven in this operating state such that n-type channels in the p-emitter 15 and the p base 12 be formed. In this operating state there is no blocking pn junction in the device in any direction. The IGBT works in this operating state as a unipolar device. Based on this operating condition, too is referred to as a high-speed state, the device can be switched off with particularly low switching losses, ie for example in the double-sided blocking state by suitable driving of the gate electrodes G1, G2 are transferred.

In einem dritten Betriebszustand, der nachfolgend als vorwärts leitender Betriebszustand bezeichnet wird, leitet der IGBT bei positiver Kollektor-Emitter-Spannung und sperrt bei negativer Kollektor-Emitter-Spannung. In diesem Betriebszustand ist die erste Gate-Elektrode G1 leitend angesteuert und die zweite Gate-Elektrode G2 ist sperrend angesteuert. Während dieses Betriebszustandes verhält sich der IGBT wie ein herkömmlicher IGBT im leitend angesteuerten Zustand. Der IGBT funktioniert dabei als bipolares Bauelement, bei dem bei positiver Kollektor-Emitter-Spannung ein Elektronenstrom und ein Löcherstrom in entgegengesetzten Richtungen das Bauelement durchfließen. Während dieses Betriebszustandes ist der Einschaltwiderstand des Bauelementes besonders gering. Allerdings kann das Bauelement aus diesem Betriebszustand nur mit vergleichsweise hohen Schaltverlusten in den beidseitig sperrenden bzw. den nachfolgend noch erläuterten in Rückwärtsrichtung sperrenden Betriebszustand überführt werden, da vor dem Sperren die während des leitenden Zustandes in dem Bauelement gespeicherten Ladungsträger abgeführt werden müssen.In a third operating condition, hereinafter referred to as forward conducting Operating state is called, conducts the IGBT at positive collector-emitter voltage and locks at negative collector-emitter voltage. In this operating state is the first gate electrode G1 is turned on and the second gate electrode G2 is blocked. While This operating state behaves the IGBT like a conventional one IGBT in the conducting state. The IGBT works as bipolar device with positive collector-emitter voltage an electron current and a hole current in opposite directions flow through the device. During this Operating state is the on-resistance of the device especially low. However, the device may be out of this operating state only with comparatively high switching losses in the blocking on both sides or the below explained in reverse direction blocking operating state are transferred, there before the lock the during the conductive state can be dissipated in the device stored charge carriers have to.

In einem vierten Betriebszustand, der nachfolgend als rückwärts leitender Betriebszustand bezeichnet wird, sperrt das Bauelement bei positiver Kollektor-Emitter-Überspannung Uce und leitet bei einer negativen Kollektor-Emitter-Spannung. In diesem Betriebszustand ist die erste Gate-Elektrode G1 sperrend angesteuert, während die zweite Gate-Elektrode G2 leitend angesteuert ist.In a fourth operating condition, hereinafter referred to as reverse conducting Operating state is called, locks the device at positive collector-emitter overvoltage Uce and conducts at a negative collector-emitter voltage. In In this operating state, the first gate electrode G1 is blocking energized while the second gate electrode G2 is turned on.

Es sei darauf hingewiesen, dass der doppelseitig steuerbare IGBT so realisiert sein kann, dass er sowohl bei Betrieb in Vorwärtsrichtung als auch bei Betrieb in Rückwärtsrichtung identische Eigenschaften, d. h. identische Sperrspannungen und identische Durchlasswiderstände besitzen kann. In diesem Fall sind Kollektor und Emitter des Bauelements vertauschbar. Für viele Anwendungen, insbesondere für die nachfolgend noch erläuterte Halbbrückenanwendung wird der doppelseitig steuerbare IGBT vorzugsweise jedoch so dimensioniert, dass er in der Vorwärtsrichtung niedrigere Durchlassverluste und eine höhere Sperrspannung besitzt, als in der Rückwärtsrichtung. Dies ist beispielsweise bei dem in 4 dargestellten doppelseitig steuerbaren IGBT der Fall, bei dem zur Optimierung des Sperrverhaltens in Vorwärtsrichtung zusätzlich die Feldstoppzone 14 vorhanden ist.It should be noted that the double-sided controllable IGBT can be realized so that it can have identical properties, ie identical reverse voltages and identical on-state resistances, both when operating in the forward direction and when operating in the reverse direction. In this case, the collector and emitter of the device are interchangeable. For many applications, in particular for the half-bridge application explained below, however, the double-sided controllable IGBT is preferably dimensioned such that it has lower forward losses and a higher reverse voltage in the forward direction than in the reverse direction. This is for example in the case of 4 illustrated double-sided controllable IGBT the case in which to optimize the blocking behavior in the forward direction additionally the field stop zone 14 is available.

Die in 3 dargestellte steuerbare Halbleiterschalteranordnung eignet sich insbesondere für die Verwendung in einer Halbbrückenschaltung zur Ansteuerung einer induktiven Last, was nachfolgend anhand von 6 erläutert wird. Die Verwendung der erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleiterschalteranordnung ist allerdings nicht auf solche Halbbrückenschaltungen beschränkt. Die steuerbare Halbleiteranordnung kann vielmehr überall dort eingesetzt werden, wo bisher ein Leistungshalbleiterschaltelement mit einer antiparallelen Diode verwendet wird, insbesondere in Zwei-, Drei- und Mehrpunkt-Spannungszwischenkreis-Umrichtern.In the 3 shown controllable semiconductor switch assembly is particularly suitable for use in a half-bridge circuit for driving an inductive load, which is described below with reference to 6 is explained. However, the use of the controllable semiconductor switch arrangement according to the invention is not limited to such half-bridge circuits. Rather, the controllable semiconductor device can be used wherever a power semiconductor switching element with an antiparallel diode has hitherto been used, in particular in two-, three- and multi-point voltage intermediate-circuit converters.

6 zeigt eine Halbbrückenschaltung mit einem ersten Schaltelement S und einem zweiten Schaltelement, deren Laststrecken in Reihe zwischen eine Klemme für Versorgungspotential V+ und eine Klemme für Bezugspotential GND geschaltet sind. Ein Ausgang OUT der Halbbrücke wird durch einen den Laststrecken der beiden Schaltelemente S, 10 gemeinsamen Knoten gebildet. 6 shows a half-bridge circuit having a first switching element S and a second switching element whose load paths are connected in series between a terminal for supply potential V + and a terminal for reference potential GND. An output OUT of the half-bridge is represented by the load paths of the two switching elements S, 10 formed common node.

Es sei angenommen, dass ein erster Anschluss K1 der Last L an den Ausgang OUT der Halbbrücke angeschlossen ist, und dass ein zweiter Anschluss K2 der Last L auf Bezugspotential GND liegt. Alternativ besteht die Möglichkeit, den zweiten Anschluss K2 der Last an das positive Versorgungspotential V+ anzuschließen, wie dies gestrichelt in 6 dargestellt ist. In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, den zweiten Anschluss K2 der Last an den Ausgang einer weiteren Halbbrücke (nicht dargestellt) anzuschließen, die zweiten Anschluss K2 wahlweise an ein Versorgungspotential oder ein Bezugspotential anschließt.It is assumed that a first terminal K1 of the load L is connected to the output OUT of the half-bridge, and that a second terminal K2 of the load L is at reference potential GND. Alternatively, it is possible to connect the second terminal K2 of the load to the positive supply potential V +, as shown in dashed lines in FIG 6 is shown. In a manner not shown, it is also possible to connect the second terminal K2 of the load to the output of a further half bridge (not shown), the second terminal K2 optionally connected to a supply potential or a reference potential.

Das zweite Schaltelement 10 liegt bei der in 6 dargestellten Verschaltung parallel zu der Last L und ist als steuerbare Halbleiterschalteranordnung gemäß 3 mit einem doppelseitig steuerbaren IGBT T und einer parallel geschalteten Diode D ausgebildet. Das erste Schaltelement S, dessen Laststrecke zwischen das positive Versorgungspotential V+ und den Ausgang OUT geschaltet ist, kann ein beliebiges Schaltelement, insbesondere auch eine erfindungsgemäße Schalteranordnung gemäß 3 sein.The second switching element 10 lies at the in 6 shown interconnection parallel to the load L and is as a controllable semiconductor switch assembly according to 3 formed with a double-sided controllable IGBT T and a diode D connected in parallel. The first switching element S, whose load path is connected between the positive supply potential V + and the output OUT, can be any switching element, in particular also a switch arrangement according to the invention 3 be.

Es sei nun angenommen, dass der erste Schalter S getaktet durch ein nicht näher dargestelltes Ansteuersignal geöffnet und geschlossen wird, um die Last L intervallweise (pulsweitenmoduliert) an die zwischen der Klemme für Versorgungspotential V+ und der Klemme für Bezugspotential GND anliegende Versorgungsspannung anzuschließen. Zur Vermeidung von Querströmen, d.h. zur Vermeidung eines von dem ersten Schalter S direkt über die Schalteranordnung 10 nach Bezugspotential abfließenden Stromes ist die Schalteranordnung 10 so angesteuert, dass sie während der Einschaltdauern des ersten Schalters S zumindest in Vorwärtsrichtung sperrt. Bei sperrendem ersten Schalter S ist die zweite Schalteranordnung 10 so angesteuert, dass sie einen Freilaufstrompfad für die induktive Last L zur Verfügung stellt.It is now assumed that the first switch S is clocked opened and closed by a drive signal, not shown in detail, to connect the load L intervalwise (pulse width modulated) to the voltage applied between the terminal for supply potential V + and the terminal for reference potential GND supply voltage. To avoid cross-currents, ie to avoid one of the first switch S directly through the switch assembly 10 after reference potential outgoing current is the switch assembly 10 so energized that during the on periods of the first switch S locks at least in the forward direction. When blocking first switch S is the second switch arrangement 10 so driven that it provides a freewheeling current path for the inductive load L.

Die Ansteuerung des ersten Schalters S und der doppelseitig steuerbaren Schalteranordnung 10 während eines Ansteuerzyklus wird nachfolgend anhand von 7 erläutert. Mit Ton ist in 7 die Zeitdauer bezeichnet, während der der erste Schalter S leitet, Toff bezeichnet die Zeitdauer, während der der erste Schalter S sperrt, und T bezeichnet die Zeitdauer eines Ansteuerzyklus.The control of the first switch S and the double-sided controllable switch arrangement 10 during a drive cycle is described below with reference to 7 explained. With sound is in 7 denotes the period of time during which the first switch S is conducting, Toff denotes the time period during which the first switch S blocks, and T denotes the duration of a drive cycle.

Während der Einschaltdauer Ton sperrt die doppelseitig steuerbare Schalteranordnung 10 zumindest in Vorwärtsrichtung, um Querströme zu vermeiden. Zumindest die erste Gate-Elektrode G1 ist hierzu sperrend angesteuert. Die Schalteranordnung 10 kann bei leitend angesteuertem ersten Schalter S jedoch auch beidseitig sperrend gesteuert sein, was bezugnehmend auf 5a dadurch erreicht wird, dass beide Gates G1, G2 sperrend angesteuert sind.During the switch-on period the double-sided controllable switch arrangement blocks 10 at least in the forward direction to avoid cross currents. At least the first gate electrode G1 is activated in a blocking manner for this purpose. The switch arrangement 10 can, however, also be blocked on both sides in the case of a conductive first switch S, which is based on 5a is achieved in that both gates G1, G2 are driven blocking.

Kurz vor Öffnen des ersten Schalters S wird die steuerbare Schalteranordnung 10 in den in Vorwärtsrichtung sperrenden und den in Rückwärtsrichtung leitenden Zustand, der anhand von 5d erläutert wurde, gebracht. Dadurch wird sichergestellt, dass der doppelseitig steuerbare IGBT T mit Sperren des ersten Schalters S sofort den weiterhin fließenden, jedoch abnehmenden Laststrom IL der induktiven Last übernimmt und damit einen Freilaufstrompfad bereitstellt. Der die Schalteranordnung 10 durchfließende Kollektor-Emitter-Strom Ice ist dabei negativ. Die während dieses Betriebszustandes ebenfalls in Durchlassrichtung gepolte Diode D wird während dieses Betriebszustandes ebenfalls von einem Strom durchflossen. Vorzugsweise ist diese Diode D allerdings wesentlich kleiner dimensioniert und hat eine höhere Durchlassspannung als der in Rückwärtsrichtung leitende IGBT T, so dass die Diode im Vergleich zu dem IGBT lediglich von einem kleinen Strom durchflossen wird.Shortly before opening the first switch S is the controllable switch assembly 10 in the forward blocking and in the reverse conducting state, based on 5d was explained brought. This ensures that the double-sided controllable IGBT T with locks of the first switch S immediately assumes the still flowing but decreasing load current IL of the inductive load and thus provides a freewheeling current path. The the switch assembly 10 flowing collector-emitter current Ice is negative. The diode D, which is also polarized in the forward direction during this operating state, also flows through a current during this operating state. Preferably, however, this diode D is dimensioned substantially smaller and has a higher forward voltage than the reverse conducting IGBT T, so that the diode is compared to the IGBT flows through only a small current.

Während des rückwärts leitenden Betriebszustandes funktioniert der IGBT T als bipolares Bauelement, das während dieses Betriebszustandes mit Ladungsträgern überflutet wird. Würde während dieses Betriebszustandes der Schalteranordnung 10 der erste Schalter S geschlossen, und damit eine positive Kollektor-Emitter-Spannung Uce an die Schalteranordnung 10 angelegt, so müssten die während des Betriebs in Rückwärtsrich tung gespeicherten Ladungsträger zunächst abfließen, bis das Bauelement in Vorwärtsrichtung sperrt. Dies hätte bis zum vollständigen Abfließen dieser Ladungsträger einen Querstrom und damit hohe Schaltverluste zur Folge. Andererseits muss sichergestellt werden, dass stets ein Strompfad für den die Last durchfließenden Strom IL vorhanden ist, bevor der Schalter S einschaltet.During the reverse conducting operating state, the IGBT T functions as a bipolar device, which is flooded with charge carriers during this operating state. Would during this operating state of the switch assembly 10 the first switch S closed, and thus a positive collector-emitter voltage Uce to the switch assembly 10 applied, then the charge carrier stored during operation in the reverse direction would have to flow away until the device blocks in the forward direction. This would result in a crossflow and thus high switching losses until the complete discharge of these charge carriers. On the other hand, it must be ensured that there is always a current path for the current flowing through the load IL before the switch S turns on.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, den doppelseitig steuerbaren IGBT T vor Einschalten des Schalter S zunächst in den beidseitig leitenden Zustand zu bringen, in dem beide Gate-Elektroden G1 und G2 leitend angesteuert werden, und den IGBT dann beidseitig sperrend anzusteuern, indem die erste und zweite Gate-Elektrode G1 und G2 sperrend angesteuert werden. Im beidseitig leitenden Zustand werden im IGBT keine neuen Minoritätsladungsträger injiziert, und die im IGBT gespeicherten Ladungsträger können abfließen. Im beidseitig sperrenden Zustand wird der Freilaufstrom durch die Diode D übernommen, bis der erste Schalter S einschaltet und dadurch den Laststrom IL der Induktivität L übernimmt.Therefore, according to the invention provided, the double-sided controllable IGBT T before switching the switch S first in the two-sided conductive state, in which both gate electrodes G1 and G2 are turned on, and the IGBT then blocking on both sides to be driven by the first and second gate electrodes G1 and G2 be controlled blocking. Be in both sides conductive state injecting no new minority carriers in the IGBT, and the charge carriers stored in the IGBT can drain off. In both sides blocking state the freewheeling current is taken over by the diode D until the first switch S turns on and thereby takes over the load current IL of the inductance L.

Da die Diode D nur während eines vergleichsweise kurzen Zeitraumes, nämlich nach Sperren der Schalteranordnung 10 in Rückwärtsrichtung und vor Öffnen des ersten Schalters S den Laststrom IL der induktiven Last L übernimmt, sind an diese Diode D keine besonderen Anforderungen bezüglich der Durchlassverluste zu stellen. Vorzugsweise sollte die Diode allerdings auf geringe Schaltverluste und softes Schaltverhalten optimiert sein. Werden der doppelseitig steuerbare IGBT und die Diode als getrennte Chips realisiert, dann kann dieses Verhalten der Diode durch einen im Vergleich zum IGBT dickeren Chip oder eine dickere niedrig dotierte Driftzone (42 in 4) realisiert werden.Since the diode D only during a comparatively short period, namely after locking the switch assembly 10 in the reverse direction and before opening the first switch S accepts the load current IL of the inductive load L, no special requirements with respect to the forward losses are to be placed on this diode D. Preferably, however, the diode should be optimized for low switching losses and soft switching behavior. If the double-sided controllable IGBT and the diode are realized as separate chips, then this behavior of the diode can be achieved by a thicker chip or a thicker low-doped drift zone (compared to the IGBT). 42 in 4 ) will be realized.

Bei gemeinsamer Integration des doppelseitig steuerbaren IGBT und der Diode D auf einem gemeinsamen Chip kann die Diodenfläche lediglich zwischen 1% und 10% der gesamten Chipfläche betragen, während die restliche Chipfläche für den IGBT T vorgesehen ist.at common integration of the double sided controllable IGBT and the Diode D on a common chip can only cover the diode area between 1% and 10% of the total chip area, while the remaining chip area for the IGBT T is provided.

Werden der doppelseitig steuerbare IGBT und die Diode als getrennte Chips vorzugsweise in einem gemeinsamen Modulgehäuse realisiert, kann die Chipfläche der Diodenchips ebenfalls zwischen 1% und 10% der gesamten Chipfläche betragen.Become the double-sided controllable IGBT and the diode as separate chips preferably realized in a common module housing, the chip area of the Diode chips also be between 1% and 10% of the total chip area.

8 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Halbleiterchip 100 in dem schematisch die Abmessungen der Diode D eingezeichnet sind, um das Größenverhältnis von doppelseitig steuerbarem IGBT T und Diode D zu veranschaulichen. 8th schematically shows a plan view of the semiconductor chip 100 in which schematically the dimensions of the diode D are plotted to illustrate the size ratio of double-sided controllable IGBT T and diode D.

9 veranschaulicht im Überblick die Schaltzustände des ersten Schalters S und der doppelseitig steuerbaren Schalteranordnung 10 während eines Ansteuerzyklus. Die in 9 für diese Schalteranordnung 10 verwendeten Schaltzustände entsprechen den anhand von 5 erläuterten Schaltzuständen. Wie bereits erläutert, wird die Schalteranordnung 10 so angesteuert, dass sie vor Ende der Einschaltdauer Ton des ersten Schalters S in den vierten Betriebszustand übergeht, bei dem die Schalteranordnung in Rückwärtsrichtung leitet und in Vorwärtsrichtung sperrt. Die Schalteranordnung 10 kann während der gesamten Einschaltdauer Ton des ersten Schalters S diesen vierten Betriebszustand annehmen, sie kann zeitweise während dieser Einschaltdauer Ton jedoch auch so angesteuert sein, dass sie den ersten Betriebszustand annimmt, d. h. beidseitig sperrt. Vor Ende der Ausschaltdauer Toff des ersten Schalters S wird die Schalteranordnung 10 zunächst in den beidseitig leitenden Zustand 2 und dann in den beidseitig sperrenden Zustand 1 gebracht. Ein die Schalteranordnung 10 durchfließender Freilaufstrom wird dann in erläuterter Weise von der parallel zu dem IGBT T geschalteten Diode D übernommen. Während der nachfolgenden Einschaltdauer Ton des ersten Schalters S kann dann wieder in den in Vorwärtsrichtung sperrenden und in Rückwärtsrichtung leitenden Betriebszustand umgeschaltet werden, nachdem der Lastrom IL vollständig von dem ersten Schal ter S übernommen wurde, wenn also kein Freilaufstrom mehr durch die parallel geschaltete Diode D fließt. Alternativ besteht die Möglichkeit, den beidseitig sperrenden Betriebszustand bis kurz vor Ende der Einschaltdauer Ton beizubehalten werden. 9 illustrates an overview of the switching states of the first switch S and the double-sided controllable switch assembly 10 during a drive cycle. In the 9 for this switch arrangement 10 used switching states correspond to those based on 5 explained switching states. As already explained, the switch arrangement 10 is driven so that before the end of the duty cycle, it transitions tone of the first switch S into the fourth operating state, in which the switch arrangement conducts in the reverse direction and blocks in the forward direction. The switch arrangement 10 can assume this fourth operating state during the entire duty Ton of the first switch S, but it may temporarily be during this duty cycle Ton also controlled so that it assumes the first operating state, ie blocks on both sides. Before the end of the switch-off Toff of the first switch S, the switch assembly 10 first in the two-sided conductive state 2 and then in the double-locking state 1 brought. A the switch assembly 10 flowing freewheeling current is then taken over in the manner explained by the parallel to the IGBT T diode D connected. During the subsequent duty Ton of the first switch S can then be switched back to the forward blocking and conductive in the reverse direction operating state after the load current IL was completely taken over by the first scarf ter S, so if no freewheeling current through the diode D connected in parallel flows. Alternatively, it is possible to maintain the mutually blocking operating state until shortly before the end of the duty cycle tone.

Bei dem in 6 gestrichelt dargestellten Betriebsfall, bei dem die Last an das Versorgungspotential V+ angeschlossen ist, erfolgt eine Spannungsversorgung der Last L durch leitendes Ansteuern des doppelseitig steuerbaren IGBT. Zur Reduzierung von Schaltverlusten wird der IGBT T hierbei bipolar betrieben, d.h. in dem in Vorwärtsrichtung leitenden und in Rückwärtsrichtung sperrenden Betrieb (dritter Betriebszustand). Ein Übergang des IGBT T von diesem Betriebszustand in den beidseitig sperrenden Zustand (erster Betriebszustand) oder den in Vorwärtsrichtung sperrenden Zustand (vierter Betriebszustand) erfolgt hierbei vorzugsweise ebenfalls über den in beide Richtungen leitenden Zustand (zweiter Betriebszustand).At the in 6 dashed illustrated operating case, in which the load is connected to the supply potential V +, a voltage supply of the load L by conducting control of the double-sided controllable IGBT. In order to reduce switching losses of the IGBT T is thereby operated bipolar, ie in the forward conducting and reverse blocking operation (third operating state). In this case, a transition of the IGBT T from this operating state into the mutually blocking state (first operating state) or the forward blocking state (fourth operating state) preferably likewise takes place via the state conducting in both directions (second operating state).

Wird als erster Schalter S eine Schalteranordnung gemäß 3 eingesetzt, so wird diese während der Einschaltdauer Ton vorzugsweise im dritten Betriebszustand, bei dem das Bauelement in Vorwärtsrichtung leitet und in Rückwärtsrichtung sperrt, betrieben. Während der Ausschaltdauer ist die Schalteranordnung entweder beidseitig gesperrt (erster Betriebszustand) oder in Vorwärtsrichtung gesperrt (vierter Betriebszustand). Der Übergang vom leitenden in den sperrenden Betriebszustand erfolgt vorzugsweise über den zweiten Betriebszustand, bei dem das Bauelement in beiden Richtungen leitet, um die Schaltverluste zu minimieren.Is as a first switch S, a switch assembly according to 3 used, it is preferably during the duty Ton in the third operating state in which the device conducts in the forward direction and blocks in the reverse direction, operated. During the off period, the switch assembly is either locked on both sides (first operating state) or blocked in the forward direction (fourth operating state). The transition from the conducting to the blocking operating state preferably takes place via the second operating state, in which the device conducts in both directions in order to minimize the switching losses.

Bei der anhand von 6 dargestellten Anordnung wurde angenommen, dass die induktive Last L mit der zweiten Klemme K2 an Bezugspotential GND liegt und dass die doppelseitig steuerbare Schalteranordnung 10 parallel zu der induktiven Last L angeschlossen ist. Bezugnehmend auf 10 funktioniert die Ansteuerung der induktiven Last L in entsprechender Weise, wenn deren zweiter Anschluss K2 an Versorgungspotential V+ liegt, und wenn deren erster Anschluss K1 über den ersten Schalter S an Bezugspotential GND angeschlossen ist. Die doppelseitig steuerbare Schalteranordnung 10 ist in diesem Fall ebenfalls parallel zu der induktiven Last L für Versorgungspotential V+ und den ersten Anschluss K1 geschaltet. Die Ansteuerung des ersten Schalters S und der Schalteranordnung 10 erfolgt entsprechend zu der anhand von 6 erläuterten Ansteuerung. Zum Anlegen der induktiven Last an die Versorgungsspannung wird dabei der erste Schalter S leitend angesteuert, während die Schalteranordnung 10 sperrt. Während der Ausschaltdauer des ersten Schalters S wird die Schalteranordnung 10 in dem in Rückwärtsrichtung leitenden Betriebszustand 4 betrieben. Kurz vor Ende der Ausschaltdauer des ersten Schalters S wird die Schalteranordnung 10 zunächst in den in beiden Richtungen leitenden Zustand (zweiter Betriebszustand) und anschließen in den beidseitig sperrenden Zustand (erster Betriebszustand) geschaltet, wobei in diesem Zustand, d.h. nach Sperren der Schalteranordnung 10 und vor Einschalten des ersten Schalters S die parallel zu dem IGBT geschaltete Diode D den Freilaufstrom übernimmt.In the case of 6 It has been assumed that the inductive load L with the second terminal K2 is at reference potential GND and that the double-sided controllable switch arrangement 10 connected in parallel with the inductive load L. Referring to 10 the control of the inductive load L operates in a corresponding manner, when the second terminal K2 is at the supply potential V +, and when the first terminal K1 is connected via the first switch S to reference potential GND. The double-sided controllable switch arrangement 10 is in this case also connected in parallel to the inductive load L for supply potential V + and the first terminal K1. The activation of the first switch S and the switch arrangement 10 takes place in accordance with the basis of 6 explained control. For applying the inductive load to the supply voltage while the first switch S is driven conductive, while the switch assembly 10 locks. During the turn-off of the first switch S, the switch assembly 10 in the reverse conducting operation state 4 operated. Shortly before the end of the turn-off of the first switch S, the switch assembly 10 first in the conducting state in both directions (second operating state) and connected in the two-way blocking state (first operating state), in which state, ie after disabling the switch assembly 10 and before turning on the first switch S, the diode D connected in parallel with the IGBT takes over the freewheeling current.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Halbleiterschalteranordnung mit einem doppelseitig steuerbaren IGBT und einer antiparallel zu dem IGBT geschalteten Diode in einem 3-Punkt-Stromrichter wird nachfolgend anhand von 11 erläutert. Der Stromrichter umfasst vier erfindungsgemäße Halbleiterschalteranordnungen 110, 111, 112, 113, die jeweils einen IGBT aufweisen. Die Laststrecken der IGBTs dieser Anordnungen sind dabei in Reihe zueinander zwischen eine Klemme für ein Versorgungspotential V+ und eine Klemme für Bezugspotential GND geschaltet. Ein erster Kondensator C1 ist dabei zwischen die Versorgungspotentialklemmen geschaltet. Ein zweiter Kondensator C2 ist zwischen einen ersten Schaltungsknoten, der den Laststrecken einer ersten und einer zweiten 110, 111 der Halbleiterschaltungen gemeinsam ist, und einen zweiten Schaltungsknoten, der den Laststrecken einer tungsknoten, der den Laststrecken einer drittem und einer vierten 112, 113 der Halbleiterschaltungen gemeinsam ist, geschaltet. Ein Ausgang des Umrichters, an den eine induktive Last angeschlossen ist, wird durch einen Schaltungsknoten gebildet, der der Laststrecke der zweiten und dritten 111, 112 Halbleiterschalteranordnung gemeinsam ist.The use of the semiconductor switch arrangement according to the invention with a double-sided controllable IGBT and a diode connected in antiparallel to the IGBT in a 3-point power converter is described below with reference to FIG 11 explained. The power converter comprises four semiconductor switch arrangements according to the invention 110 . 111 . 112 . 113 each having an IGBT. The load paths of the IGBTs of these arrangements are connected in series between a terminal for a supply potential V + and a terminal for reference potential GND. A first capacitor C1 is connected between the supply potential terminals. A second capacitor C2 is connected between a first circuit node, which is the load paths of a first and a second 110 . 111 the semiconductor circuits in common, and a second circuit node, the load paths of a processing node, the load paths of a third and a fourth 112 . 113 the semiconductor circuits is common, switched. An output of the inverter, to which an inductive load is connected, is formed by a circuit node, that of the load path of the second and third 111 . 112 Solid-state switch assembly is common.

Zusammenfassend hat die erfindungsgemäße Anordnung mit einem doppelseitig steuerbaren IGBT und einer antiparallel geschalteten Diode gegenüber einer Schalteranordnung mit einem nur einseitig steuerbaren IGBT und einer antiparallel zur Laststrecke dieses IGBT geschalteten Diode folgende Vorteile:
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann bei einer gegebenen für die Realisierung des IGBT und der Diode zur Verfügung stehenden Chipfläche, das Verhältnis zwischen Chipfläche des IGBT und der Chipfläche der Diode zugunsten des IGBT verschoben werden. Das Verhältnis der Chipflächen beträgt beispielsweise etwa 9:1 zugunsten der Chipfläche des IGBT, während dieses Verhältnis bei Verwendung eines nur einseitig steuerbaren IGBT nur etwa 2:1 zugunsten der Chipfläche des IGBT beträgt. Für die Stromführung vom Kollektor zum Emitter des IGBT stehen bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung damit statt 2/3 der Chipfläche 9/10 der Chipfläche zur Verfügung. Dadurch reduzieren sich die Stromdichte, die Durchlassspannung und die Durchlassverluste.In summary, the arrangement according to the invention with a double-sided controllable IGBT and an antiparallel-connected diode has the following advantages over a switch arrangement with a IGBT which can be controlled only on one side and a diode connected in antiparallel to the load path of this IGBT:
In the arrangement according to the invention, given a chip area available for implementing the IGBT and the diode, the ratio between the chip area of the IGBT and the chip area of the diode can be shifted in favor of the IGBT. The ratio of the chip areas is for example about 9: 1 in favor of the chip area of the IGBT, while this ratio is only about 2: 1 in favor of the chip area of the IGBT when using a single-side controllable IGBT. For the current conduction from the collector to the emitter of the IGBT are in the circuit arrangement according to the invention thus instead of 2/3 of the chip area 9/10 of the chip area available. This reduces the current density, the forward voltage and the forward losses.

Außerdem stehen bei der erfindungsgemäßen Schaltung für die Stromführung vom Emitter zum Kollektor steht statt 1/3 der Chipfläche die gesamte Chipfläche zur Verfügung. Dadurch reduzieren sich auch in dieser Richtung die Stromdichte, die Durchlassspannung und die Durchlassverluste.In addition, stand in the circuit according to the invention for the current leadership from the emitter to the collector instead of 1/3 of the chip area is the entire chip area to disposal. This also reduces the current density in this direction, the forward voltage and the forward losses.

Zudem lassen sich bei der erfindungsgemäßen Halbleiterschalteranordnung durch die Möglichkeit, den IGBT vom bipolaren Zustand in den unipolaren Zustand zu schalten, bevor er Sperrspannung aufnimmt, die Schaltverluste reduzieren.moreover can be in the semiconductor switch assembly according to the invention by the possibility switching the IGBT from the bipolar state to the unipolar state, before absorbing blocking voltage, reduce the switching losses.

CC
Kollektoranschlusscollector connection
DD
Gleichrichterelement, FreilaufdiodeRectifier element, Freewheeling diode
D10, D20D10, D20
FreilaufdiodenFreewheeling diodes
Ee
Emitteranschlussemitter terminal
GG
Gateanschlussgate terminal
G1, G2 G1, G2
Gateanschlüsse eines doppelseitig steuerbaren IGBTGate connections one Double-sided controllable IGBT
GNDGND
Bezugspotentialreference potential
IceIce
Kollektor-Emitter-StromCollector-emitter current
ILIL
Laststrom durch die induktive Lastload current through the inductive load
Isis
Strom durch das Schaltelement der Halbbrückeelectricity by the switching element of the half-bridge
K1, K2K1, K2
Anschlüsse der induktiven LastConnections of the inductive load
LL
induktive Lastinductive load
OUTOUT
Ausgang einer Halbbrückeoutput a half bridge
SS
Schalter der Halbbrückeswitch the half bridge
TT
doppelseitig steuerbarer IGBTdouble-sided controllable IGBT
T10, T20T10, T20
IGBTsIGBTs
ToffToff
Ausschaltdaueroff time
Tonvolume
Einschaltdauerduty
Tptp
Periodendauerperiod
Uceuce
Kollektor-Emitter-SpannungCollector-emitter voltage
V+V +
Versorgungspotentialsupply potential
1010
doppelseitig steuerbare Halbleiterschalteranordnungdouble-sided controllable semiconductor switch arrangement
1111
n-dotierte Halbleiterzone, n-Emittern-doped Semiconductor zone, n-emitter
1212
p-dotierte Halbleiterzone, p-Basisp-doped Semiconductor zone, p-base
1313
n-dotierte Halbleiterzone, n-Basisn-doped Semiconductor zone, n-base
1414
FeldstoppzoneField stop zone
1515
p-dotierte Halbleiterzone, p-Emitter, Kollektorp-doped Semiconductor zone, p-emitter, collector
1616
n-dotierte Halbleiterzonen-doped Semiconductor zone
4141
n-dotierte Halbleiterzone, Kathode der Dioden-doped Semiconductor zone, cathode of the diode
4242
n-dotierte Halbleiterzone, n-Basis der Dioden-doped Semiconductor zone, n-base of the diode
4343
p-dotierte Halbleiterzone, Anode der Diodep-doped Semiconductor zone, anode of the diode
21, 2321 23
Gate-Elektroden Gate electrodes
22, 2422 24
Gate-IsolationsschichtenGate insulation layers
31, 3231 32
Anschlusselektrodenterminal electrodes
100100
HalbleiterkörperSemiconductor body
101101
Vorderseite des Halbleiterkörpersfront of the semiconductor body
102102
Rückseite des Halbleiterkörpersback of the semiconductor body
110, 111110 111
HalbleiterschalteranordnungenSemiconductor switching devices
112, 113112 113
HalbleiterschalteranordnungenSemiconductor switching devices

Claims (8)

Halbleiterschalteranordnung, die folgende Merkmale aufweist: – einen doppelseitig steuerbaren IGBT (T) mit einem ersten emitterseitigen Gate-Anschluss (G1), einem zweiten kollektorseitigen Gate-Anschluss (G2) und einer Laststrecke zwischen einem Kollektoranschluss (C) und einem Emitteranschluss (E), der abhängig von einer Ansteuerung der ersten und zweiten Gate-Anschlüsse (G1, G2) einen beidseitig sperrenden Zustand, einen beidseitig leitenden Zustand, einen in Vorwärtsrichtung leitenden und in Rückwärtsrichtung sperrenden Zustand und einen in Vorwärtsrichtung sperrenden und in Rückwärtsrichtung leitenden Zustand annehmen kann, – eine antiparallel zu der Laststrecke (C-E) geschaltete Diode (D) mit einer Anode und einer Kathode, deren Anode mit dem Emitter (E) und deren Kathode mit dem Kollektor (C) des doppelseitig steuerbaren IGBT (T) verbunden ist.Semiconductor switch assembly, the following features having: - one Double-sided controllable IGBT (T) with a first emitter-side Gate terminal (G1), a second collector-side gate terminal (G2) and a load path between a collector terminal (C) and an emitter terminal (E), which depends on a drive the first and second gate terminals (G1, G2) have a double-sided blocking state, a double-sided conductive state, an in forward direction conductive and in reverse direction locking state and a forward blocking and in reverse direction can assume a conductive state, - an antiparallel to the Load path (C-E) connected diode (D) with an anode and a Cathode, whose anode with the emitter (E) and whose cathode with the Collector (C) of the double-sided controllable IGBT (T) is connected. Halbleiterschalteranordnung nach Anspruch 1, bei der der IGBT (T) und die Diode (D) in einem gemeinsamen Halbleiterchip (100) integriert sind wobei die Diode so dimensioniert ist, dass sie zwischen 1% und 10% der Chipfläche benötigt.Semiconductor switch arrangement according to claim 1, in which the IGBT (T) and the diode (D) in a common semiconductor chip ( 100 The diode is dimensioned to require between 1% and 10% of the chip area. Halbleiterschalteranordnung nach Anspruch 1, bei der der IGBT (T) und die Diode (D) als getrennte Chips in einem gemeinsamen Modul integriert sind, wobei die Diode so dimensioniert ist, dass ihre Chipfläche zwischen 1% und 10% der gesamten Chipfläche ausmacht.A semiconductor switch device according to claim 1, wherein the IGBT (T) and the diode (D) as separate chips in one common module are integrated, the diode being so dimensioned is that their chip area between 1% and 10% of the total chip area. Halbleiterschalteranordnung nach Anspruch 1, bei der die Diode einen dickeren Chip oder einen Chip mit einer dickeren niedrig dotierten Driftzone aufweist als der doppelseitig steuerbare IGBT.A semiconductor switch device according to claim 1, wherein the diode has a thicker chip or a chip with a thicker one has low doped drift zone than the double-sided controllable IGBT. Stromrichterschaltung mit wenigstens einem schaltbaren Leistungshalbleiterschaltelement, das als Halbleiterschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 realisiert ist.Converter circuit with at least one switchable Power semiconductor switching element as a semiconductor switch arrangement according to one of the claims 1 to 4 is realized. Halbbrückenschaltung mit wenigstens einem schaltbaren Leistungshalbleiterschaltelement, das als Halbleiterschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 realisiert ist.Half-bridge circuit with at least one switchable power semiconductor switching element, as a semiconductor switch arrangement according to one of claims 1 to 4 is realized. Verfahren zur Ansteuerung einer Halbleiterschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Übergang von dem in Vorwärtsrichtung leitenden und in Rückwärtsrichtung sperrenden Zustand in den beidseitig sperrenden Zustand unter Zwischenschaltung des beidseitig leitenden Zustands erfolgt.Method for controlling a semiconductor switch arrangement according to one of the claims 1 to 4, where a transition from the forward direction conductive and in reverse direction blocking state in the two-way blocking state with interposition the mutually conductive state takes place. Verfahren zur Ansteuerung einer Halbleiterschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Übergang von dem in Vorwärtsrichtung sperrenden und in Rückwärtsrichtung leitenden Zustand in den beidseitig sperrenden Zustand unter Zwischenschaltung des beidseitig leitenden Zustands erfolgt.Method for controlling a semiconductor switch arrangement according to one of the claims 1 to 4, where a transition from the forward direction blocking and in reverse direction conductive state in the two-way blocking state with interposition the mutually conductive state takes place.
DE102005047101A 2005-09-30 2005-09-30 Semiconductor switch arrangement e.g. power semiconductor switch unit, for e.g. rectifier circuit, has insulated gate bipolar transistor with gate connections and load line between collector and emitter connections Expired - Fee Related DE102005047101B3 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005047101A DE102005047101B3 (en) 2005-09-30 2005-09-30 Semiconductor switch arrangement e.g. power semiconductor switch unit, for e.g. rectifier circuit, has insulated gate bipolar transistor with gate connections and load line between collector and emitter connections

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005047101A DE102005047101B3 (en) 2005-09-30 2005-09-30 Semiconductor switch arrangement e.g. power semiconductor switch unit, for e.g. rectifier circuit, has insulated gate bipolar transistor with gate connections and load line between collector and emitter connections

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102005047101B3 true DE102005047101B3 (en) 2007-01-04

Family

ID=37545319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102005047101A Expired - Fee Related DE102005047101B3 (en) 2005-09-30 2005-09-30 Semiconductor switch arrangement e.g. power semiconductor switch unit, for e.g. rectifier circuit, has insulated gate bipolar transistor with gate connections and load line between collector and emitter connections

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102005047101B3 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9029909B2 (en) 2013-06-24 2015-05-12 Ideal Power Inc. Systems, circuits, devices, and methods with bidirectional bipolar transistors
US9355853B2 (en) 2013-12-11 2016-05-31 Ideal Power Inc. Systems and methods for bidirectional device fabrication
US9742395B2 (en) 2014-11-06 2017-08-22 Ideal Power Inc. Circuits, methods, and systems with optimized operation of double-base bipolar junction transistors
US9742385B2 (en) 2013-06-24 2017-08-22 Ideal Power, Inc. Bidirectional semiconductor switch with passive turnoff
US9799731B2 (en) 2013-06-24 2017-10-24 Ideal Power, Inc. Multi-level inverters using sequenced drive of double-base bidirectional bipolar transistors
CN113613937A (en) * 2019-03-20 2021-11-05 利萨·德雷克塞迈尔有限责任公司 Switching device, voltage supply system, switching device operating method and manufacturing method
US11637016B2 (en) 2013-12-11 2023-04-25 Ideal Power Inc. Systems and methods for bidirectional device fabrication

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5485023A (en) * 1993-08-18 1996-01-16 Fuji Electric Co., Ltd. Insulated gate bipolar transistor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5485023A (en) * 1993-08-18 1996-01-16 Fuji Electric Co., Ltd. Insulated gate bipolar transistor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SITTIG, R. et al.: Monolithic Bidirectional Switches promise superior characteristics. In: 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2004, S. 2977-2982 *

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9356595B2 (en) 2013-06-24 2016-05-31 Ideal Power Inc. Bidirectional two-base bipolar junction transistor devices, operation, circuits, and systems with collector-side base driven, diode-mode turn-on, double base short at initial turn-off, and two base junctions clamped by default
US9054707B2 (en) 2013-06-24 2015-06-09 Ideal Power Inc. Systems, circuits, devices, and methods with bidirectional bipolar transistors
US9369125B2 (en) 2013-06-24 2016-06-14 Ideal Power Inc. Bidirectional two-base bipolar junction transistor operation, circuits, and systems with collector-side base driven
US9374084B2 (en) 2013-06-24 2016-06-21 Ideal Power Inc. Bidirectional two-base bipolar junction transistor operation, circuits, and systems with diode-mode turn-on
US9059710B2 (en) 2013-06-24 2015-06-16 Ideal Power Inc. Systems, circuits, devices, and methods with bidirectional bipolar transistors
US9209798B2 (en) 2013-06-24 2015-12-08 Ideal Power Inc. Bidirectional bipolar junction transistor operation, circuits, and systems with two base junctions clamped by default
US9231582B1 (en) 2013-06-24 2016-01-05 Ideal Power Inc. Bidirectional two-base bipolar junction transistor devices, operation, circuits, and systems with diode-mode turn-on and collector-side base driven
US9029909B2 (en) 2013-06-24 2015-05-12 Ideal Power Inc. Systems, circuits, devices, and methods with bidirectional bipolar transistors
US9799731B2 (en) 2013-06-24 2017-10-24 Ideal Power, Inc. Multi-level inverters using sequenced drive of double-base bidirectional bipolar transistors
US9035350B2 (en) 2013-06-24 2015-05-19 Ideal Power Inc. Systems, circuits, devices, and methods with bidirectional bipolar transistors
US9054706B2 (en) 2013-06-24 2015-06-09 Ideal Power Inc. Systems, circuits, devices, and methods with bidirectional bipolar transistors
US9374085B2 (en) 2013-06-24 2016-06-21 Ideal Power Inc. Bidirectional two-base bipolar junction transistor operation, circuits, and systems with double base short at initial turn-off
US9647553B2 (en) 2013-06-24 2017-05-09 Ideal Power Inc. Bidirectional two-base bipolar junction transistor operation, circuits, and systems with double base short at initial turn-off
US9742385B2 (en) 2013-06-24 2017-08-22 Ideal Power, Inc. Bidirectional semiconductor switch with passive turnoff
US11637016B2 (en) 2013-12-11 2023-04-25 Ideal Power Inc. Systems and methods for bidirectional device fabrication
US9355853B2 (en) 2013-12-11 2016-05-31 Ideal Power Inc. Systems and methods for bidirectional device fabrication
US9742395B2 (en) 2014-11-06 2017-08-22 Ideal Power Inc. Circuits, methods, and systems with optimized operation of double-base bipolar junction transistors
CN113613937A (en) * 2019-03-20 2021-11-05 利萨·德雷克塞迈尔有限责任公司 Switching device, voltage supply system, switching device operating method and manufacturing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008049677B4 (en) Power supply in a circuit arrangement with a semiconductor switching element
EP2297842B1 (en) Method, circuit configuration, and bridge circuit
DE102005047101B3 (en) Semiconductor switch arrangement e.g. power semiconductor switch unit, for e.g. rectifier circuit, has insulated gate bipolar transistor with gate connections and load line between collector and emitter connections
DE102005031139B4 (en) Semiconductor device
DE102014106787A1 (en) CIRCUIT WITH A VARIETY OF BIPOLAR TRANSISTORS AND METHOD FOR CONTROLLING SUCH A CIRCUIT
DE10308313B4 (en) Semiconductor diode, electronic component, voltage source inverter and control method
DE102016109235B4 (en) ELECTRICAL ASSEMBLY CONTAINING A REVERSE CONDUCTIVE SWITCHING DEVICE AND AN EQUIVALENT DEVICE
DE112019000544B4 (en) SEMICONDUCTOR DEVICE AND POWER CONVERSION DEVICE
DE102016109820B4 (en) Method and device for controlling a first switch and a second switch, device for actuating a first switch and a second switch and associated computer program product
DE102018106357A1 (en) POWER CONVERSION DEVICE
DE102008055052A1 (en) Circuit device with a freewheeling diode, circuit device and power converter using diodes
EP3503365A1 (en) Method and device for controlling mosfet switching modules
DE102014106790B4 (en) Circuit having a plurality of diodes and method for driving such a circuit
DE102017103057A1 (en) Active gate-source capacitance terminal for a self-locking HEMT
DE4318205C2 (en) Semiconductor devices
DE102014115225A1 (en) RC-IGBT with SiC freewheeling diode
DE102016110035B4 (en) An electrical assembly comprising a bipolar switching device and a normally on wide bandgap transistor, and an electrical assembly comprising a bipolar switching device and a normally on junction field effect transistor comprising a semiconductor region of silicon carbide
DE102014114085B3 (en) Control circuit for reverse conducting IGBTs
DE4335298C1 (en) Circuit structure with at least one bipolar power component and method for its operation
DE112019001054T5 (en) SEMICONDUCTOR DEVICE AND POWER CONVERSION DEVICE
DE102016111127A1 (en) An electrical assembly including an insulated gate bipolar transistor device and a wide bandgap transistor device
DE4433796A1 (en) Controllable semiconductor device
DE102006038541B4 (en) Semiconductor device arrangement with complementary power devices
EP1875513A2 (en) Controllable semiconductor diode, electronic component and indirect voltage converter
DE102004005384B4 (en) Bidirectional, MOS-controlled semiconductor device, method of its operation, process for its production and its use

Legal Events

Date Code Title Description
8100 Publication of patent without earlier publication of application
8364 No opposition during term of opposition
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: INFINEON TECHNOLOGIES AUSTRIA AG, AT

Free format text: FORMER OWNERS: INFINEON TECHNOLOGIES AUSTRIA AG, VILLACH, AT; SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee