DE102006029928B3 - Electronic switching device for switching high electric current, has isolating unit connected between control connection of switching unit and load supply of another switching unit, where isolation unit decouples switching units - Google Patents

Electronic switching device for switching high electric current, has isolating unit connected between control connection of switching unit and load supply of another switching unit, where isolation unit decouples switching units Download PDF

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Abstract

The device (K) has two semiconductor switching units (T1, T2), each with two load supplies (DT1, ST1, DT2, ST2) and a control connection (GT1, GT2). A control unit is provided for switching the switching device, and is coupled with the connection (GT1), where the control unit produces a control signal for activating or deactivating the unit (T1). An isolating unit (EM) is connected between the connection (GT1) and the supply (ST2) of the other switching unit. The isolation unit decouples the unit (T2) from unit (T1), when the unit (T1) is operated by the control signal in a locked condition.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektronische Schalteinrichtung, die ein erstes Halbleiterschaltelement mit einem ersten Lastanschluss, einem zweiten Lastanschluss und einem ersten Steueranschluss, ein zweites Halbleiterschaltelement mit einem dritten Lastanschluss, einem vierten Lastanschluss und einem zweiten Steueranschluss aufweist. Der zweite und der dritte Lastanschluss sind elektrisch miteinander verschaltet. Es ist ein Steuermittel vorgesehen, mit welchem die Schalteinrichtung leitend oder sperrend schaltbar ist.The The invention relates to an electronic switching device, the first semiconductor switching element having a first load terminal, a second load terminal and a first control terminal, a second Semiconductor switching element with a third load terminal, a fourth Has load terminal and a second control terminal. The second and the third load connection is electrically interconnected. It is provided a control means, with which the switching device is conductive or blocking switchable.
  • Eine gattungsgemäße Schalteinrichtung ist aus der US 4,663,547 bekannt. Die dort beschriebene Schalteinrichtung umfasst eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements und dem vierten Lastanschluss des zweiten Halbleiterschaltelements. Das erste Halbleiterschaltelement ist als selbstleitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor JFET (Junction Field Effect Transistor) ausgebildet, während das zweite Halbleiterschaltelement als selbstsperrender, spannungsgesteuerter MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) gebildet ist. Diese Zusammenschaltung des ersten und des zweiten Halbleiterschaltelements wird auch als Kaskode-Schaltung bezeichnet. Die elektronische Schalteinrichtung dient zum Schalten eines hohen elektrischen Stroms und ist auch für eine hohe Sperrspannung ausgelegt. Das erste und das zweite Halbleiterschaltelement bestehen aus Silizium (Si) und sorgen aufgrund der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit im Silizium für eine hohe Schaltgeschwindigkeit.A generic switching device is from the US 4,663,547 known. The switching device described therein comprises an electrically conductive connection between the first control terminal of the first semiconductor switching element and the fourth load terminal of the second semiconductor switching element. The first semiconductor switching element is designed as a self-conducting junction field effect transistor JFET (junction field effect transistor), while the second semiconductor switching element is formed as a self-locking, voltage-controlled MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). This interconnection of the first and the second semiconductor switching element is also referred to as a cascode circuit. The electronic switching device is used for switching a high electric current and is also designed for a high reverse voltage. The first and the second semiconductor switching element consist of silicon (Si) and ensure a high switching speed due to the high charge carrier mobility in the silicon.
  • Wie ohne Weiteres ersichtlich ist, sind die Steuermittel einer derartigen Kaskode-Schaltung derart ausgelegt, dass ein Sperren der Kaskode-Schaltung auch dann zuverlässig erfolgt, wenn das Steuermittel unvorhergesehen ausfällt. In der Anord nung der US 4,663,547 erfolgt die Steuerung der Kaskode-Schaltung durch Ansteuerung des MOSFET mit einer positiven Spannung an seinem Steueranschluss. Wenn der MOSFET abgeschaltet wird, steigt die an seinem dritten Lastanschluss, dem Drain-Anschluss, anliegende Spannung schnell an. Wenn die sog. Pinch-off-Spannung des selbstleitenden Sperrschicht-Feldeffekttransistors erreicht ist, schaltet der Sperrschicht-Feldeffekttransistor ab und blockiert die an der Kaskode-Schaltung (d.h. am ersten Lastanschluss oder Drain-Anschluss des Sperrschicht-Feldeffekttransistors) anliegende Spannung. Diese Ansteuerung erlaubt eine unkomplizierte Ansteuerung der gesamten Kaskode-Schaltung.As can be readily seen, the control means of such a cascode circuit are designed such that a blockage of the cascode circuit is reliable even if the control means fails unforeseen. In the arrangement of the US 4,663,547 the control of the cascode circuit is performed by driving the MOSFET with a positive voltage at its control terminal. When the MOSFET is turned off, the voltage applied to its third load terminal, the drain terminal, rapidly increases. When the so-called pinch-off voltage of the normally-on junction field effect transistor is reached, the junction field effect transistor turns off and blocks the voltage applied to the cascode circuit (ie, the first load terminal or drain of the junction field effect transistor). This control allows uncomplicated control of the entire cascode circuit.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuerung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. So ist eine Ansteuerung lediglich mit geringen Frequenzen möglich. Zwar könnte der Sperrschicht-Feldeffekttransistor zur Ansteuerung mit hohen Frequenzen mit einem sehr schnellen MOSFET kombiniert werden. In einer derartigen Ausgestaltung müssen jedoch parasitäre Bauelemente, insbesondere Induktivitäten und Ladungsspeicher, berücksichtigt werden, welche Resonanzkreise beim Schalten ausbilden können. Die Folge können unerwünschte Schwingungen sein, wodurch ein störungsfreier Betrieb des Sperrschicht-Feldeffekttransistors verhindert wird. Diese Problematik fällt umso stärker ins Gewicht, wenn anstatt des auf Silizium-Basis verwendeten Sperrschicht-Feldeffekttransistors ein Halbleiterschaltelement aus dem Halbleitermaterial Silizium-Carbid (SiC) verwendet wird, bei welchem wesentlich höhere Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten auftreten können.The However, known from the prior art control has a Series of disadvantages. So is a control only with low frequencies possible. Although could the junction field effect transistor for driving with high Frequencies are combined with a very fast MOSFET. In such a design must however parasitic Components, in particular inductors and charge storage, considered which resonant circuits can form when switching. The Episode can undesirable Be vibrations, whereby a trouble-free operation of the junction field effect transistor prevents becomes. This problem falls all the more into the Weight, if instead of the silicon-based junction field effect transistor used a semiconductor switching element made of the semiconductor material silicon carbide (SiC) is used is at which much higher Voltage rise rates can occur.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannte Kaskode-Schaltung erlaubt weiterhin nicht die direkte Steuerung des Sperrschicht-Feldeffekttransistors, um dessen Schaltgeschwindigkeit einzustellen. Das primäre Schaltelement, das letztendlich die Schaltgeschwindigkeit der Kaskode-Schaltung bestimmt, wird durch den MOSFET ausgebildet. Eine nachträgliche Änderung der Schaltgeschwindigkeit der Kaskode-Schaltung ist damit nicht möglich.The The cascode circuit known from the prior art still permits not the direct control of the junction FET, about its switching speed adjust. The primary Switching element, which ultimately the switching speed of the cascode circuit is determined, is formed by the MOSFET. A subsequent change the switching speed of the cascode circuit is not possible.
  • Um die bekannte Kaskode-Schaltung mit geringeren Geschwindigkeiten schalten zu können, kann ein Widerstand in die Leitung zum Steueranschluss des MOSFET eingebaut werden. Hiermit ist jedoch die Problematik verbunden, dass der MOSFET in den sog. Avalanche-Zustand übergehen kann, wenn die Sperrspannung des MOSFET vor dem Erreichen der Pinch-off-Spannung des Sperrschicht-Feldeffekttransistors anliegt.Around the well-known cascode circuit with lower speeds can switch a resistor is built into the line to the control terminal of the MOSFET become. However, this involves the problem that the MOSFET into the so-called avalanche state, if the reverse voltage of the MOSFET before reaching the pinch-off voltage the junction field effect transistor is applied.
  • Das Einfügen eines Widerstands in die Zuleitung zum Steueranschluss des Sperrschicht-Feldeffekttransistors zur Einstellung der Schaltgeschwindigkeit ist prinzipiell möglich, in der Praxis jedoch mit hohen Verlusten verbunden. Darüber hinaus kann aufgrund der Verschaltung von Sperrschicht-Feldeffekttransistor und MOSFET der Widerstand nicht ohne Probleme an die Bauelemente angepasst werden.The Insert a resistor in the supply line to the control terminal of the junction field effect transistor to set the switching speed is possible in principle in In practice, however, associated with high losses. Furthermore can due to the interconnection of junction field effect transistor and MOSFET of the Resistance can not be adapted without problems to the components.
  • Bei der Realisierung eines Steuermittels für eine Kaskode-Schaltung muss weiterhin bedacht werden, dass die Sperrspannung des MOSFET in einer ähnlichen Größenordnung wie die Pinch-off-Spannung des Sperrschicht-Feldeffekttransistors, insbesondere bei einem langsamen Betrieb, gewählt wird, da andernfalls die zwischen dem Steueranschluss und dem Source-Anschluss gebildete Diode des Sperrschicht-Feldeffekttransistors beschädigt werden kann. Dies erfordert somit grundsätzlich eine Anpassung des MOSFET an den Sperrschicht-Feldeffekttransistor. Andererseits darf die über der Laststrecke des MOSFET anliegende Spannung nicht wesentlich größer als die Pinch-off-Spannung des Sperrschicht-Feldeffekttransistors sein, da ansonsten ein Defekt des Sperrschicht-Feldeffekttransistors möglich ist.In the realization of a control means for a cascode circuit must further be considered that the reverse voltage of the MOSFET is selected in a similar order of magnitude as the pinch-off voltage of the junction field effect transistor, especially in a slow operation, otherwise between the Control terminal and the source terminal formed diode of the junction field effect transistor can be damaged. This thus basically requires an adaptation of the MOSFET to the junction field effect transistor. On the other hand, the over the load path of the MOSFET voltage applied not be significantly greater than the pinch-off voltage of the junction field effect transistor, otherwise a defect of the junction field effect transistor is possible.
  • Aus der DE 101 01 744 C1 ist eine Schalteinrichtung bekannt, die wenigstens ein MOSFET-Schaltelement, wenigstens ein JFET-Schutzelement und Steuermittel enthält, wobei das JFET-Schutzelement zum Schaltelement elektrisch in Reihe geschaltet ist und den elektrischen Strom auf einen Maximalstrom begrenzt, und die Steuermittel den Maximalstrom des Schutzele ments bei oder zeitverzögert zu dem Einschalten des Schaltelements wenigstens im zeitlichen Mittel auf wenigstens einen erhöhten Wert und anschließend wieder auf wenigstens einen niedrigeren Wert steuern.From the DE 101 01 744 C1 a switching device is known, which contains at least one MOSFET switching element, at least one JFET protection element and control means, wherein the JFET protection element is electrically connected in series with the switching element and limits the electric current to a maximum current, and the control means the maximum current of the protection element at or after the switch-on of the switching element at least on an average over time, to at least one increased value and then again to at least one lower value.
  • Aus der Beschreibung wurde deutlich, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Kaskode-Schaltung in der Praxis mit verschiedenen Problemen behaftet ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Schalteinrichtung anzugeben, welche die oben genannten Probleme nicht aufweist.Out the description became clear that the state of the art known cascode circuit in practice with various problems is afflicted. The object of the present invention is to provide a specify electronic switching device, which the above Does not have problems.
  • Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße elektronische Schalteinrichtung gelöst, welche erfindungsgemäß die Merkmale aufweist, dass das Steuermittel mit dem ersten Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements gekoppelt ist, an welchen ein durch das Steuermittel erzeugbares erstes Steuersignal zum Ein- oder Ausschalten des ersten Halbleiterschaltelements anlegbar ist, und dass ein Entkopplungsmittel vorgesehen ist, das zwischen dem ersten Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements und dem vierten Lastanschluss verschaltet ist und eine Entkopplung des zweiten Halbleiterschaltelements von dem ersten Halbleiterschaltelement bewirkt, wenn das erste Halbleiterschaltelement durch das erste Steuersignal in einen sperrenden Zustand gebracht ist oder wird.These Task is by a generic electronic switching device solved, which according to the invention the features in that the control means is connected to the first control terminal of the first Semiconductor switching element is coupled to which a through the Control means producible first control signal for switching on or off of the first semiconductor switching element can be applied, and that a decoupling means is provided, which between the first control terminal of the first Semiconductor switching element and the fourth load connection interconnected is and a decoupling of the second semiconductor switching element of causes the first semiconductor switching element when the first semiconductor switching element brought into a blocking state by the first control signal is or will.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik ist dabei eine unmittelbare Steuerung des ersten Halbleiterschaltelements vorgesehen, welche unabhängig von einer Ansteuerung des zweiten Schaltelements erfolgen kann. Dabei ist sichergestellt, dass die elektronische Schalteinrichtung im Falle eines Defekts des Steuermittels zuverlässig in einen sperrenden Zustand übergeht. Ermöglicht wird dies durch das vorgesehene Entkopplungsmittel. Die direkte Ansteuerung des ersten Halbleiterschaltelements ermöglicht eine einfache Einstellung der Schaltgeschwindigkeit. Ferner ist über das Entkopplungsmittel ein definiertes Ausschalten möglich.in the Contrary to the prior art is an immediate control of the first semiconductor switching element, which is independent of a control of the second switching element can take place. there it is ensured that the electronic switching device in Case of a defect of the control means reliably enters a blocking state. allows this is achieved by the intended decoupling means. The direct Driving the first semiconductor switching element allows a easy adjustment of the switching speed. Furthermore, about the Uncoupling a defined turn off possible.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.advantageous embodiments arise from the dependent ones Claims.
  • Gemäß einer Ausführungsform liegt an dem zweiten Steueranschluss des zweiten Halbleiterschaltelements in einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Schalteinrichtung ein zweites Steuersignal an, das das zweite Halbleiterschaltelement leitend schaltet. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Ansteuerung der erfindungsgemäßen Kaskode-Schaltung ausschließlich über das erste Halbleiterschaltelement erfolgt. Lediglich in einem nicht-bestimmungsgemäßen Zustand der Schalteinrichtung, z.B. einem Defekt des Steuermittels, geht das zweite Halbleiterschaltelement in einen sperrenden Zustand über, wodurch gleichzeitig ein Ausschalten des ersten Halbleiterschaltelements bewirkt wird.According to one embodiment is located at the second control terminal of the second semiconductor switching element in a normal operation the switching device to a second control signal, which is the second Semiconductor switching element conductively switches. This ensures that the control of the cascode circuit according to the invention exclusively via the first semiconductor switching element takes place. Only in a non-intended condition the switching device, e.g. a defect of the tax means, goes the second semiconductor switching element in a blocking state, whereby simultaneously switching off the first semiconductor switching element is effected.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Entkopplungsmittel durch ein Halbleiterschaltelement oder Schaltnetzwerk gebildet, das dazu ausgebildet ist, den ersten Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements mit dem vierten Lastanschluss zu verbinden, wenn ein Fehlerfall vorliegt und eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements und dem vierten Lastanschluss aufzutrennen, wenn die Schalteinrichtung regulär betrieben wird. Das Entkopplungsmittel kann damit durch einen "idealen Schalter" gebildet werden.According to one another embodiment is the decoupling means by a semiconductor switching element or Switching network formed, which is adapted to the first control terminal of the first semiconductor switching element with the fourth load terminal to connect, if an error occurs and an electrical Connection between the first control terminal of the first semiconductor switching element and the fourth load terminal when the switching device regular is operated. The decoupling means can thus be formed by an "ideal switch".
  • Bevorzugt ist es, wenn das Entkopplungsmittel durch zumindest eine Diode gebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass ein Diodenanschluss der zumindest einen Diode mit dem ersten Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements und ein Katodenanschluss der zumindest einen Diode mit dem vierten Lastanschluss gekoppelt ist.Prefers it is when the decoupling means formed by at least one diode is. It is provided that a diode terminal of at least a diode having the first control terminal of the first semiconductor switching element and a cathode terminal of the at least one diode with the fourth Load connection is coupled.
  • Das Vorsehen der Diode erlaubt einerseits die unmittelbare Steuerung des ersten Halbleiterschaltelements und ermöglicht andererseits das Sperren des ersten Halbleiterschaltelements beim Ausfall des Steuermittels oder einem anderen, unvorhergesehenen Fehler. Weiterhin schützt die Diode den Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements gegen zu große positive Spannungen.The Providing the diode allows on the one hand the immediate control the first semiconductor switching element and on the other hand allows the blocking the first semiconductor switching element in case of failure of the control means or another, unforeseen mistake. Furthermore, the protects Diode the control terminal of the first semiconductor switching element against too big positive tensions.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Entkopplungsmittel eine Sperrspannung aufweist, die größer oder gleich der Sperrspannung des zweiten Halbleiterschaltelements ist.According to one another embodiment it is provided that the decoupling means has a blocking voltage, the bigger or is equal to the reverse voltage of the second semiconductor switching element.
  • Das Entkopplungsmittel kann außerhalb der eigentlichen Kaskode-Schaltung, umfassend das erste und das zweite Halbleiter schaltelement, angeordnet werden, wodurch insbesondere die Schalteigenschaften der Kaskode-Schaltung in vorteilhafter Weise beeinflussbar sind.The Decoupling agent can be outside the actual cascode circuit comprising the first and the second semiconductor switching element, are arranged, which in particular the switching characteristics of the cascode circuit in an advantageous manner can be influenced.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuermittel als Treiberschaltung ausgebildet, die mit dem ersten Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements über einen Widerstand verbunden ist, mit welchem die Flankensteilheit des Spannungspegels des Steuersignals einstellbar ist.According to a further embodiment, the control means is designed as a driver circuit, which is connected to the first control terminal of the first semiconductor switching element via a resistor, with which the slope of the voltage level of the control signal is adjustable.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist mit dem zweiten Steueranschluss des zweiten Halbleiterschaltelements ein weiteres Steuermittel gekoppelt, welches das zweite Halbleiterschaltelement in einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Schalteinrichtung im Wesentlichen permanent leitend schaltet, das zweite Halbleiterschaltelement in einem Fehlerfall sperrend schaltet, und das zweite Halbleiterschaltelement bei einem Einschaltvorgang der Schalteinrichtung mit einer vorbestimmten Verzögerung von einem sperrenden in einen leitenden Zustand verbringt. Das weitere Steuermittel kann beispielsweise nach dem Einschalten der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung ein zeitverzögertes Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelements bewirken, so dass sichergestellt ist, dass das erste Halbleiterschaltelement korrekt durch die Erzeugung eines entsprechenden Ansteuersignals durch das Steuermittel in einem sperrenden Zustand ist. Hierdurch können Einschaltspitzen oder dgl. vermieden werden.According to one another embodiment is connected to the second control terminal of the second semiconductor switching element coupled to a further control means, which the second semiconductor switching element in a normal operation the switching device switches substantially permanently conductive, the switching second semiconductor switching element in an error case blocking, and the second semiconductor switching element at a power-on the switching device with a predetermined delay of one locks in a conductive state. The further control means For example, after switching on the circuit device according to the invention a time-delayed Activation of the second semiconductor switching element effect, so that it is ensured that the first semiconductor switching element is correct by the generation of a corresponding drive signal by the Control means is in a blocking state. This can be Einschaltspitzen or the like. Be avoided.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Halbleiterschaltelement bevorzugt als selbstleitender Feldeffekttransistor, insbesondere als Sperrschicht-Feldeffekttransistor (Junction Field Effekt Transistor, JFET), ausgebildet. Bevorzugt besteht das erste Halbleiterschaltelement aus dem Halbleitermaterial Silizium-Carbid (SiC).In a further embodiment the first semiconductor switching element is preferably as a self-conducting Field effect transistor, in particular as a junction field effect transistor (Junction Field Effect Transistor, JFET), formed. Prefers the first semiconductor switching element consists of the semiconductor material Silicon carbide (SiC).
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Halbleiterschaltelement als selbstsperrender MOS-Feldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effekt Transistor) ausgebil det. Bevorzugt besteht das zweite Halbleiterschaltelement aus dem Halbleitermaterial Silizium.In a further embodiment is the second semiconductor switching element as a self-blocking MOS field effect transistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ausgebil det. The second semiconductor switching element preferably consists of the semiconductor material Silicon.
  • Die Verwendung von Silizium-Carbid als Halbleitermaterial für das erste Halbleiterschaltelement weist den Vorteil auf, dass ein derartiges Halbleiterschaltelement hochtemperatur- und hochspannungsfähig ist. Der Durchlasswiderstand eines derartigen Halbleiterschaltelements ist um den Faktor 20 bis 30 kleiner als bei einem vergleichbaren Halbleiterschaltelement auf Silizium-Basis. Hierdurch lassen sich sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und geringe Verluste erreichen. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung ist dabei ein störungsfreier Betrieb auch bei hohen Frequenzen von 200 kHz bis 1 MHz möglich.The Use of silicon carbide as semiconductor material for the first Semiconductor switching element has the advantage that such a Semiconductor switching element is high temperature and high voltage capability. The on-resistance of such a semiconductor switching element is smaller by a factor of 20 to 30 than in a comparable one Silicon-based semiconductor switching element. This can be done achieve very high switching speeds and low losses. In conjunction with the control according to the invention is a trouble-free operation even at high frequencies from 200 kHz to 1 MHz possible.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be explained in more detail with reference to FIGS. Show it:
  • 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen elektronischen Schalteinrichtung, und 1 an electrical equivalent circuit diagram of an electronic switching device according to the invention, and
  • 2 eine beispielhafte Ausführungsform eines in der Schaltungsanordnung gemäß 1 eingesetzten Entkopplungsmittels. 2 an exemplary embodiment of one in the circuit according to 1 used decoupling agent.
  • 1 zeigt das Ersatzschaltbild einer elektronischen Schalteinrichtung. Eine Kaskode-Schaltung K weist in bekannter Weise ein erstes Halbleiterschaltelement T1 und ein zweites Halbleiterschaltelement T2 auf. Das erste Halbleiterschaltelement T1 ist als selbstleitender Hochvolt-Feldeffekttransistor, insbesondere als Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ausgebildet, wobei dieser aus dem Halbleitermaterial Silizium-Carbid besteht. Das zweite Halbleiterschaltelement T2 ist als selbstsperrender Niedervolt-MOSFET ausgebildet, der aus dem Halbleitermaterial Silizium besteht. In bekannter Weise weist das erste Halbleiterschaltelement T1 einen ersten Lastanschluss DT1 (nachfolgend als Drain-Anschluss bezeichnet), einen zweiten Lastanschluss ST1 (nach folgend als Source-Anschluss bezeichnet) und einen ersten Steueranschluss GT1 (nachfolgend als Gate-Anschluss beizeichnet) auf. In entsprechender Weise umfasst das zweite Halbleiterschaltelement T2 einen dritten Lastanschluss DT2 (Drain-Anschluss), einen vierten Lastanschluss ST2 (Source-Anschluss) und einen zweiten Steueranschluss GT2 (Gate-Anschluss). Der Source-Anschluss ST1 des ersten Halbleiterschaltelements T1 und der Drain-Anschluss DT2 des zweiten Halbleiterschaltelements T2 sind an einem Knotenpunkt Kn1 elektrisch miteinander verschaltet. 1 shows the equivalent circuit of an electronic switching device. A cascode circuit K has, in a known manner, a first semiconductor switching element T1 and a second semiconductor switching element T2. The first semiconductor switching element T1 is designed as a self-conducting high-voltage field effect transistor, in particular as a junction field effect transistor, wherein this consists of the semiconductor material silicon carbide. The second semiconductor switching element T2 is formed as a self-locking low-voltage MOSFET, which consists of the semiconductor material silicon. In a known manner, the first semiconductor switching element T1 has a first load terminal DT1 (hereinafter referred to as drain terminal), a second load terminal ST1 (hereinafter referred to as source terminal) and a first control terminal GT1 (hereinafter referred to as a gate terminal). In a corresponding manner, the second semiconductor switching element T2 comprises a third load terminal DT2 (drain terminal), a fourth load terminal ST2 (source terminal) and a second control terminal GT2 (gate terminal). The source terminal ST1 of the first semiconductor switching element T1 and the drain terminal DT2 of the second semiconductor switching element T2 are electrically interconnected at a node Kn1.
  • Die Kaskode-Schaltung K kann als Bauelement ausgebildet sein. In diesem Fall weist die Kaskode-Schaltung einen Drain-Anschluss D, einen Source-Anschluss S sowie einen ersten Steueranschluss G1 und einen zweiten Steueranschluss G2 auf. Der Drain-Anschluss D ist durch den Drain-Anschluss DT1 des ersten Halbleiterschaltelements T1 gebildet. Der Source-Anschluss S der Kaskode-Schaltung K ist durch den Source-Anschluss ST2 des zweiten Halbleiterschaltelements T2 gebildet. Der erste Steueranschluss GT1 des ersten Halbleiterschaltelements T1 ist mit dem ersten Steueranschluss G1 der Kaskode-Schaltung K gekoppelt. In entsprechender Weise ist der zweite Steueranschluss GT2 des zweiten Halbleiterschaltelements T2 mit dem zweiten Steueranschluss G2 der Kaskode-Schaltung K verschaltet.The Cascode circuit K may be formed as a component. In this In this case, the cascode circuit has a drain D, a source S and a first control terminal G1 and a second control terminal G2 on. The drain terminal D is through the drain terminal DT1 of the first semiconductor switching element T1 formed. The source terminal S of the cascode circuit K is through the source terminal ST2 of the second semiconductor switching element T2. The first control connection GT1 of the first semiconductor switching element T1 is connected to the first control terminal G1 of the cascode circuit K coupled. In a similar way the second control terminal GT2 of the second semiconductor switching element T2 connected to the second control terminal G2 of the cascode circuit K.
  • Mit dem Drain-Anschluss D ist eine Versorgungsleitung L1 gekoppelt, an welcher eine Spannung Vin anliegt. Mit dem Source-Anschluss S der Kaskode-Schaltung K ist eine Versorgungsleitung L2 gekoppelt, an welchem ein Bezugspotential GND anliegt.With the drain terminal D is coupled to a supply line L1, at which a voltage Vin is present. With the source connection S the cascode circuit K is coupled to a supply line L2, to which a reference potential GND is applied.
  • Ein Steuermittel SM1 ist über einen Widerstand R mit dem ersten Steueranschluss G1 der Kaskode-Schaltung K verschaltet. Das Steuermittel SM1 wird über einen Versorgungspotentialanschluss VP1 mit einer Betriebsspannung +Vbb und einen Versorgungspotentialanschluss VP2 mit einer Betriebsspannung von beispielhaft 0V versorgt. Das Steuermittel SM1 ist als Trei berschaltung ausgebildet, welche eine Spannung mit negativer Polarität dem ersten Steueranschluss G1 der Kaskode-Schaltung K zuführen kann (Signal S1).One Control means SM1 is over a resistor R to the first control terminal G1 of the cascode circuit K interconnected. The control means SM1 is connected via a supply potential connection VP1 with an operating voltage + Vbb and a supply potential connection VP2 supplied with an operating voltage of example 0V. The Control means SM1 is formed as Trei berschaltung, which a Voltage with negative polarity the first control terminal G1 of the cascode circuit K can perform (Signal S1).
  • Mit dem ersten Steueranschluss G1 ist ferner ein Entkopplungsmittel EM verschaltet, welches weiterhin mit dem Source-Anschluss der Kaskode-Schaltung K gekoppelt ist. Das Entkopplungsmittel umfasst die Funktionalität eines "idealen" Schalters und ist bevorzugt durch eine oder mehrere seriell miteinander verschaltete Dioden gebildet. Dies ist exemplarisch in 2 dargestellt. Hierbei ist ein Anodenanschluss der Diode D mit dem Steueranschluss G1 und ein Katodenanschluss der Diode D mit dem Source-Anschluss S der Kaskode-Schaltung K verschaltet.Furthermore, a decoupling means EM is connected to the first control terminal G1, which is further coupled to the source terminal of the cascode circuit K. The decoupling means comprises the functionality of an "ideal" switch and is preferably formed by one or more diodes connected in series with each other. This is exemplary in 2 shown. Here, an anode terminal of the diode D with the control terminal G1 and a cathode terminal of the diode D with the source terminal S of the cascode circuit K is connected.
  • Der zweite Steueranschluss G2 der Kaskode-Schaltung K ist entweder direkt mit dem Versorgungspotential VP1 oder über ein weiteres Steuermittel SM2 mit diesem verbunden. Das zweite Steuermittel SM2 weist eine sog. Start-/Stopp-Funktionalität auf, wobei das Steuermittel SM2 den als n-leitenden MOSFET in einem normalen Betrieb der Kaskode-Schaltung mit einer positiven Spannung beaufschlagt, so dass dieser leitend ist. Lediglich in einem irregulären Betrieb der Schalteinrichtung schaltet das zweite Steuermittel SM2 das zweite Halbleiterschaltelement T2 sperrend, indem der Gate-Anschluss GT2 auf das Potential des Source-Anschlusses ST2 des zweiten Halbleiterschaltelements gebracht wird. Die Funktionalität ist auch bei Nicht-Vorhandensein des zweiten Steuermittels SM2 gegeben, z.B. wenn ein Fehler in der Ansteuerung der elektronischen Schalteinrichtung vorliegt. Sobald eine Auftrennung des Gate-Anschlusses GT2 bzw. des zweiten Steueranschlusses G2 der Kaskode-Schaltung K von dem Versorgungspotentialanschluss VP1 vorliegt, geht das zweite Halbleiterschaltelement T2 in den sperrenden Betrieb.Of the second control terminal G2 of the cascode circuit K is either direct with the supply potential VP1 or via another control means SM2 connected to this. The second control means SM2 has a so-called start / stop functionality on, wherein the control means SM2 as the n-type MOSFET in a normal operation of the cascode circuit with a positive voltage so that it is conductive. Only in an irregular operation the switching device, the second control means SM2 switches the second Semiconductor switching element T2 blocking by the gate terminal GT2 to the potential of the source terminal ST2 of the second semiconductor switching element is brought. The functionality is given even in the absence of the second control means SM2, e.g. if an error in the control of the electronic switching device is present. As soon as a separation of the gate terminal GT2 or of the second control terminal G2 of the cascode circuit K from the supply potential terminal VP1 is present, the second semiconductor switching element T2 goes into the blocking operation.
  • Der Betrieb der erfindungsgemäßen elektronischen Schalteinrichtung ist wie folgt: im Normalzustand der Kaskode-Schaltung bzw. Schalteinrichtung ist das zweite Halbleiter schaltelement T2 immer leitend geschaltet. Das Ein- und Ausschalten der Kaskode-Schaltung wird ausschließlich über das erste Steuermittel SM1 vorgenommen, welche den ersten Halbleiterschalter T1 über den in seiner Größe einstellbaren Widerstand R mit einem Spannungssignal beaufschlagt. Vorteil dieser Ansteuerung ist, dass während des Schaltvorganges des ersten Halbleiterschaltelements T1 keine Schwingungen auftreten. Über die Größe des Widerstandes R können dabei beliebige Flanken eingestellt werden, so dass einerseits ein hochfrequenter Betrieb der Kaskode-Schaltung ermöglicht ist und andererseits Störsignale vermieden werden.Of the Operation of the electronic invention Switching device is as follows: in the normal state of the cascode circuit or switching device is the second semiconductor switching element T2 always turned on. The switching on and off of the cascode circuit is exclusively via the first control means SM1 made, which the first semiconductor switch T1 over the adjustable in size Resistor R is supplied with a voltage signal. Advantage of this Control is that during the switching operation of the first semiconductor switching element T1 no Vibrations occur. about the size of the resistor R can Any flanks can be set so that on the one hand a high-frequency operation of the cascode circuit is possible and on the other hand noise be avoided.
  • Das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelements T1 erfolgt durch das Anlegen einer negativen Spannung durch das Steuermittel SM1 an den ersten Steueranschluss G1. Die Pinch-off-Spannung bestimmt sich damit über die Spannung VDS, d.h. der Drain-Source-Spannung über der Laststrecke des zweiten Halbleiterschaltelements, verringert um die Durchlassspannung der zumindest einen Diode D des Entkopplungsmittels EM. Die Diode D muss dabei derart ausgelegt werden, dass diese mindestens die Drain-Source-Spannung des zweiten Halbleiterschaltelements T2 sperren kann. Während des Ausschaltvorganges und des Sperrens des ersten Halbleiterschaltelements T1 bleibt das zweite Halbleiterschaltelements T2 weiterhin leitend, d.h. der Katodenanschluss der Diode D ist mit dem Bezugspotential GND verbunden.The Switching off the first semiconductor switching element T1 is performed by the application of a negative voltage by the control means SM1 to the first control terminal G1. The pinch-off voltage is thus determined by the Voltage VDS, i. the drain-source voltage across the load path of the second Semiconductor switching element, reduced by the forward voltage of the at least one diode D of the decoupling means EM. The diode D must be designed such that this at least the drain-source voltage of the second semiconductor switching element T2 can lock. During the Turning off and the blocking of the first semiconductor switching element T1, the second semiconductor switching element T2 remains conductive, i.e. the cathode terminal of the diode D is connected to the reference potential GND connected.
  • Das Vorsehen des Entkopplungsmittels erlaubt damit die Gate-Steuerung des Sperrschicht-Feldeffekttransistors. Gleichzeitig wird ein Sperren des ersten Halbleiterschaltelements beim Ausfall des Steuermittels SM1 ermöglicht, da in diesem Fall das zweite Halbleiterschaltelement T2 von seinem leitenden in einen sperrenden Zustand übergeht, wodurch die Spannung am Source-Anschluss ST1 des ersten Halbleiterschaltelements T1 ansteigt und schließlich die Pinch-off-Spannung erreicht. Das Vorhandensein des Entkopplungsmittels führt weiterhin dazu, dass der Gate-Anschluss GT1 des ersten Halbleiterschaltelements T1 gegen zu große positive Spannungen geschützt ist.The Provision of the decoupling means thus allows the gate control of the junction field effect transistor. At the same time, a lock of the first semiconductor switching element in case of failure of the control means SM1 allows, since in this case the second semiconductor switching element T2 from its conducting into one locking state passes, whereby the voltage at the source terminal ST1 of the first semiconductor switching element T1 rises and finally reached the pinch-off voltage. The presence of the decoupling agent continues to lead in that the gate terminal GT1 of the first semiconductor switching element T1 against too big protected positive voltages is.
  • Das Entkopplungsmittel EM kann außerhalb der eigentlichen Kaskode-Schaltung K angeordnet sein.The Entkopplungsmittel EM can outside the actual cascode circuit K be arranged.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, dass ein Betrieb der Kaskode-Schaltung mit sehr hohen Frequenzen durch eine direkte Ansteuerung des Sperrschicht-Feldeffekttransistors ermöglicht ist. Die Schaltgeschwindigkeit kann hierbei durch den durch das Steuermittel SM1 erzeugten Strom oder den Widerstand R eingestellt werden. Ein selbstsperrender Zustand wird auch dann erreicht, wenn eine Funktionsstörung in einem der Steuermittel vorliegen sollte.Of the Advantage of the circuit arrangement according to the invention is that operation of the cascode circuit with very high Frequencies by a direct drive of the junction field effect transistor allows is. The switching speed can in this case by the by the Control means SM1 generated current or resistor R is set become. A self-locking state is achieved even if a malfunction should be present in one of the control means.

Claims (12)

  1. Elektronische Schalteinrichtung, umfassend – ein erstes Halbleiterschaltelement (T1), das einen ersten Lastanschluss (DT1), einen zweiten Lastanschluss (ST1) und einen ersten Steueranschluss (GT1) aufweist, – ein zweites Halbleiterschaltelement (T2), das einen dritten Lastanschluss (DT2), einen vierten Lastanschluss (ST2) und einen zweiten Steueranschluss (GT2) aufweist, wobei der zweite und der dritte Lastanschluss miteinander elektrisch verschaltet sind, und – ein Steuermittel, mit welchem die Schalteinrichtung (K) leitend oder sperrend schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Steuermittel mit dem ersten Steueranschluss (GT1) des ersten Halbleiterschaltelements (T1) gekoppelt ist, an welchen ein durch das Steuermittel erzeugbares erstes Steuersignal zum Ein- oder Ausschalten des ersten Halbleiterschaltelements (T1) anlegbar ist, – ein Entkopplungsmittel (EM) vorgesehen ist, das zwischen dem ersten Steueranschluss (GT1) des ersten Halbleiterschaltelements (T1) und dem vierten Lastanschluss (ST2) verschaltet ist und eine Entkopplung des zweiten Halbleiterschaltelements (T2) von dem ersten Halbleiterschaltelement (T1) bewirkt, wenn das erste Halbleiterschaltelement durch das erste Steuersignal in einen sperrenden Zustand gebracht ist oder wird.An electronic switching device comprising - a first semiconductor switching element (T1) having a first load terminal (DT1), a second load a second semiconductor switching element (T2) having a third load terminal (DT2), a fourth load terminal (ST2) and a second control terminal (GT2), the second and the third Load connection are electrically interconnected, and - a control means, with which the switching device (K) is conductively or blocking switchable, characterized in that - the control means to the first control terminal (GT1) of the first semiconductor switching element (T1) is coupled to which a first control signal which can be generated by the control means for switching on or off the first semiconductor switching element (T1) can be applied, a decoupling means (EM) is provided which is connected between the first control terminal (GT1) of the first semiconductor switching element (T1) and the fourth load terminal (ST2) is connected and a decoupling of the second semiconductor switching element (T2) of the first Halbleiterschaltelem ent (T1) causes when the first semiconductor switching element is or is brought into a blocking state by the first control signal.
  2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Steueranschluss (GT2) des zweiten Halbleiterschaltelements (T2) in einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Schalteinrichtung ein zweites Steuersignal anliegt, das das zweite Halbleiterschaltelement (T2) leitend schaltet.Switching device according to claim 1, characterized in that in that on the second control connection (GT2) of the second semiconductor switching element (T2) in a normal operation the switching device is applied a second control signal, which is the second semiconductor switching element (T2) conductively switches.
  3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsmittel (EM) durch ein Halbleiterschaltelement oder Schaltnetzwerk gebildet ist, das dazu ausgebildet ist, den ersten Steueranschluss (GT1) des ersten Halbleiterschaltelements (T1) mit dem vierten Lastanschluss (ST2) zu verbinden, wenn ein Fehlerfall vorliegt und eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Steueranschluss (GT1) des ersten Halbleiterschaltelements (T1) und dem vierten Lastanschluss (ST2) aufzutrennen, wenn die Schalteinrichtung regulär betrieben wird.Switching device according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the decoupling means (EM) by a semiconductor switching element or switching network is formed, which is adapted to the first Control terminal (GT1) of the first semiconductor switching element (T1) with to connect to the fourth load terminal (ST2) if an error occurs is present and an electrical connection between the first control terminal (GT1) of the first semiconductor switching element (T1) and the fourth load terminal (ST2), if the switching device operated regularly becomes.
  4. Schalteinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsmittel (EM) durch zumindest eine Diode (D) gebildet ist.Switching device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the decoupling means (EM) by at least a diode (D) is formed.
  5. Schalteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anodenanschluss der zumindest einen Diode (D) mit dem ersten Steueranschluss (GT1) des ersten Halbleiterschaltelements (T1) gekoppelt und ein Kathodenanschluss der zumindest einen Diode (D) mit dem vierten Lastanschluss (ST2) gekoppelt ist.Switching device according to claim 4, characterized in that in that an anode connection of the at least one diode (D) to the first Control terminal (GT1) of the first semiconductor switching element (T1) coupled and a cathode terminal of the at least one diode (D) with the fourth load terminal (ST2) is coupled.
  6. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsmittel (EM) eine Sperrspannung aufweist, die größer oder gleich der Sperrspannung des zweiten Halbleiterschaltelements (T2) ist.Switching device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the decoupling means (EM) a Has blocking voltage, the greater or equal to the reverse voltage of the second semiconductor switching element (T2) is.
  7. Schalteinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel als Treiberschaltung ausgebildet ist, die mit dem ersten Steueranschluss (GT1) des ersten Halbleiterschaltelements (T1) über einen Widerstand (R) verbunden ist, mit welchem die Flankensteilheit des Spannungspegels des Steuersignals einstellbar ist.Switching device according to one of the preceding claims, characterized in that the control means is designed as a driver circuit is connected to the first control terminal (GT1) of the first semiconductor switching element (T1) over a resistor (R) is connected, with which the edge steepness the voltage level of the control signal is adjustable.
  8. Schalteinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten Steueranschluss (GT2) des zweiten Halbleiterschaltelements (T2) ein weiteres Steuermittel (SM2) gekoppelt ist, welches – das zweite Halbleiterschaltelement (T2) in einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Schalteinrichtung (K) im Wesentlichen permanent leitend schaltet, – das zweite Halbleiterschaltelement (T2) in einem Fehlerfall sperrend schaltet, – das zweite Halbleiterschaltelement (T2) bei einem Einschaltvorgang der Schalteinrichtung (K) mit einer vorbestimmten Verzögerung von einem sperrenden in einen leitenden Zustand verbringt.Switching device according to one of the preceding claims, thereby marked that with the second control connection (GT2) the second semiconductor switching element (T2), a further control means (SM2) is coupled, which - The second semiconductor switching element (T2) in a normal operation the switching device (K) switches substantially permanently conductive, - the second Switching semiconductor switching element (T2) in an error case, - the second Semiconductor switching element (T2) at a switch-on of the switching device (K) with a predetermined delay from a blocking to a conducting state.
  9. Schalteinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleiterschaltelement (T1) als selbstleitender Feldeffekttransistor, insbesondere als Sperrschicht-Feldeffekttransistor (Junction Field Effect Transistor JFET), ausgebildet ist.Switching device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the first semiconductor switching element (T1) as self-conducting field effect transistor, in particular as a junction field effect transistor (Junction Field Effect Transistor JFET) is formed.
  10. Schalteinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleiterschaltelement (T1) aus dem Halbleitermaterial Silizium-Carbid (SiC) besteht.Switching device according to one of the preceding claims, characterized in that the first semiconductor switching element (T1) is made of the semiconductor material silicon carbide (SiC) consists.
  11. Schalteinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Halbleiterschaltelement (T2) als selbstsperrender MOS-Feldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ausgebildet ist.Switching device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the second semiconductor switching element (T2) as self-blocking MOS field effect transistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is formed.
  12. Schalteinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Halbleiterschaltelement (T2) aus dem Halbleitermaterial Silizium besteht.Switching device according to one of the preceding claims, characterized in that the second semiconductor switching element (T2) is made of the semiconductor material consists of silicon.
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