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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gate-Treiberschaltung für ein spannungsgesteuertes Leistungshalbleiter-Schaltelement,
das in einem Leistungsumwandlungssystem verwendet wird.
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In
spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterelementen wie MOS-FETs und IGBTs schreitet
die Entwicklung in Richtung einer Handhabung größerer elektrischer Ströme fort.
Des Weiteren geht bei MOSFETS, die in Leistungsversorgungsanwendungen eingesetzt
werden, die Entwicklung zusätzlich
zur Handhabung größerer elektrischer
Ströme
in Richtung des Verfügens über niedrigere
Leistungsversorgungsspannungen. Wenn ein Leistungshalbleiterelement
mit großen
Strömen
und niedrigen Spannungen angesteuert wird, wird eine übermäßige Spannung an
dem Leistungshalbleiterelement erzeugt, wenn die äußere Zusammenschaltungsinduktivität zu groß ist. Dadurch
entsteht die Möglichkeit,
dass das Element zerstört
wird. Daher besteht die Schlüsseltechnik
darin, die äußere Zusammenschaltungsinduktivität zu reduzieren
oder die innere Induktivität
des Leistungshalbleitermoduls zu reduzieren. Eine solche Technik
zur Reduzierung der äußeren Zusammenschaltungsinduktivitäten ist
beispielsweise in JP2002-44964 (Patentreferenz 1), insbesondere
von Absatz 0017 bis 0019, offenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Wenn
ein Element eingeschaltet wird und wenn die Emitterinduktivität groß ist, wird
eine durch das Produkt aus der Emitterinduktivität und der Stromanstiegsrate
(di/dt) bestimmte Spannung, die erzeugt wird, wenn das Element eingeschaltet
wird, an der Emitterinduktivität
erzeugt. Daher besteht das Problem, dass die Schaltgeschwindigkeit
durch die an der Emitterinduktivität erzeugte Spannung reduziert
wird. Weiterhin besteht in den letzten Jahren die Tendenz, Leistungshalbleiterelemente
mit niedrigeren Leistungsversorgungsspannungen zu verwenden. Mit
dieser Tendenz besteht die Neigung, dass Schwellenspannungen für MOSFETs,
IGBTs und andere ähnliche
Elemente niedriger werden. Außerdem neigen
Leistungshalbleiterelemente in den letzten Jahren dazu, größere elektrische
Ströme
zu behandeln. Infolgedessen neigen die an Emitterinduktivitäten erzeugte
Spannungen dazu, größer zu werden. Die
Emitterinduktivitäten
beeinträchtigen
die Schaltgeschwindigkeit sehr.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiter-Schaltelement
mit hoher Schaltgeschwindigkeit bereitzustellen.
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Eine
Gate-Treiberschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird für
ein Leistungshalbleiter-Schaltelement verwendet, das ein spannungsgesteuertes
Leistungshalbleiter-Schaltelement ist. Die Gate-Treiberschaltung führt der Gate-Elektrode des Leistungshalbleiter-Schaltelements ein
Treibersignal zu. Zwischen einem Emittersteuerungsanschluss oder
einem Source-Steuerungsanschluss des Schaltanschlusses und einem
Emitterhauptanschluss oder einem Source-Hauptanschluss eines Halbleitermoduls
ist eine Induktivität
vorhanden. Eine an der Induktivität erzeugte Spannung wird erfasst
und eine Gate-Treiberspannung oder ein Gate-Treiberwiderstand wird
auf der Grundlage des erfassten Werts variable gemacht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Steuerung bereitgestellt, die die an der Emitterinduktivität erzeugte
Spannung nutzt, und da her kann das Leistungshalbleiterelement mit
hoher Geschwindigkeit angesteuert werden.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung gebaut ist.
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2 ist
ein Schaltungsdiagramm der Treiberschaltung für das Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
1 der Erfindung gebaut ist.
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3 ist
ein Wellenformdiagramm, das den Unterschied zwischen einer in Ausführungsform
1 erzeugten Schaltwellenform und einer nach dem Stand der Technik
erzeugten Schaltwellenform veranschaulicht.
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4 ist
ein Schaltungsdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
2 der Erfindung gebaut ist.
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5 ist
ein Wellenformdiagramm, das Unterschied zwischen einer in Ausführungsform
2 erzeugten Schaltwellenform und einer nach dem Stand der Technik
erzeugten Schaltwellenform veranschaulicht.
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6 ist
ein Schaltungsdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
3 der Erfindung gebaut ist.
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7 ist
ein Schaltungsdiagramm der Treiberschaltung für das Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
1 gebaut ist.
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8 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
4 der Erfindung gebaut ist.
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9 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
5 der Erfindung gebaut ist.
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10 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
6 der Erfindung gebaut ist.
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11 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß Ausführungsform
7 der Erfindung gebaut ist.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden detailliert unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben.
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Ausführungsform 1
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement,
wobei die Treiberschaltung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
gebaut ist. Mit der Treiberschaltung 11 ist ein IGBT-Modul 31 verbunden.
In dem IGBT-Modul 31 sind ein IGBT 32 und eine
Freilaufdiode 33 in Reihe geschaltet, wobei der IGBT ein
spannungsgesteuertes Schaltelement ist. Eine Emitterinduktivität 34 in
Abhängigkeit
von der Länge
der Zwischenschaltungen, die beispielsweise durch Drahtverbindung
erfolgen, ist zwischen der Emitterelektrode des IGBT 32 und
dem Emitteranschluss 36 des IGBT-Moduls 31 vorhanden.
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Die
Treiberschaltung des Standes der Technik für einen IGBT besteht aus einer
Treiber-/Schutzschaltung 21, einer Leistungsversorgung 22 mit
positiver Vorspannung für
die Treiberschaltung und einer Leistungsversorgung 23 mit
negativer Vorspannung für
die Treiberschaltung. Es gibt kein Mittel zur Kompensierung der
Spannung an der Emitterinduktivität. Daher reduziert eine Spannung,
die an der Emitterinduktivität
erzeugt wird, wenn sie eingeschaltet wird, die Schaltgeschwindigkeit.
Weiterhin besteht in den letzten Jahren die Tendenz, Leistungshalbleiterelemente
mit niedrigeren Leistungsversorgungsspannungen zu verwenden. Mit
dieser Tendenz sind Schwellenspannungen, bei denen Hauptströme beginnen,
durch MOSFETS, IGBT und andere Elemente zu zirkulieren, niedriger
geworden. Außerdem
neigen in den letzten Jahren Leistungshalbleiterelemente dazu, größere elektrische
Ströme
zu handhaben. Infolgedessen neigt die an der Emitterinduktivität 34 erzeugte
Spannung zum Zunehmen. Diese Emitterinduktivität 34 beeinträchtigt die
Schaltgeschwindigkeit sehr.
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Die
Treiberschaltung 11 der vorliegenden Erfindung weist eine
Emitterinduktivitätsspannungs-Erfassungseinheit 13 und
eine Gate-Spannungssteuerungs-/Gate-Widerstandsschalteinheit 12 auf.
Ein spezifisches Schaltungsdiagramm der Treiberschaltung der vorliegenden
Erfindung ist in 2 gezeigt, wobei die Treiberschaltung
für das
Leistungshalbleiterelement verwendet wird. In der vorliegenden Erfindung
ist eine Addierschaltung unter Verwendung eines Operationsverstärkers 51 und
eines Widerstands 52 für
die Addierschaltung aufgebaut. In der vorliegenden Erfindung kann
eine Spannung, die durch die Emitterinduktivität 34 erzeugt wird,
wenn sie eingeschaltet wird, zu der Ausgangsspannung von der Treiber-/Schutzschaltung
addiert werden.
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Der
Unterschied zwischen einer in der vorliegenden Erfindung erzeugten
Schaltwellenform und einer im Stand der Technik erzeugten Schaltwellenform
ist in 3 gezeigt. Die in der vorliegenden Erfindung erzeugte
Schaltwellenform ist durch die ausgezogene Linie angegeben. Die
im Stand der Technik erzeugte Schaltwellenform ist durch die punktierte
Linie angegeben. Im Stand der Technik wird, wenn das Element eingeschaltet
wird, die an der Emitterinduktivität 34 erzeugte Spannung
nicht addiert und somit wird der Bereich der Terrassenspannung der Gate-Spannungswellenform
(Vg), die konstant gehalten wird, wenn das Element eingeschaltet
wird, erweitert. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Spannung,
die an der Emitterinduktivität 34 erzeugt
wird, wenn sie eingeschaltet wird, addiert. Die Gate-Spannung wird
um einen Betrag erhöht,
der der Spannung entspricht, die an der Induktivität während der
Einschaltzeitspanne, in der der Kollektorstrom des IGBT ansteigt,
erzeugt wird. Infolgedessen kann die di/dt während der Einschaltzeitspanne
erhöht werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Steuerung bereitgestellt, die die an der Emitterinduktivität 34 erzeugte
Spannung nutzt, und somit kann das Leistungshalbleiterelement mit
hoher Geschwindigkeit angesteuert werden.
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Ausführungsform 2
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Ein
Schaltungsdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
ist in 4 gezeigt, wobei die Treiberschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung gebaut ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen
im Blockdiagramm der Ausführungsform
1 wie auch dem Schaltungsdiagramm der 4 bezeichnet.
In der Ausführungsform
1 ist die Gate-Spannungssteuerungs-/Gate-Widerstandsschalteinheit 12 ein
Mittel zum Steuern der Gate-Spannung. In der vorliegenden Ausführungsform
ist die Einheit 12 eine Gate-Widerstandsschalteinheit.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist die Gate-Widerstandsschalteinheit unter Verwendung eines Komparators 53,
einer Vergleichsleistungsversorgung 54, eines pMOSFET 55 und
eines Schalt-Gate-Widerstands 56 aufgebaut.
Aufgrund dieser Konfiguration kann der Gate-Widerstand während der
Zeitspanne, in der eine Spannung an der Emitterinduktivität 34 während der
Einschaltzeitspanne erzeugt wird, reduziert werden.
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Der
Unterschied zwischen einer in der vorliegenden Erfindung erzeugten
Schaltwellenform und einer im Stand der Technik erzeugten Schaltwellenform
ist in 5 gezeigt. Die in der vorliegenden Erfindung erzeugte
Schaltwellenform ist durch die ausgezogene Linie angegeben. Die
im Stand der Technik erzeugte Schaltwellenform ist durch die punktierte
Linie angegeben. Wenn im Stand der Technik das Element eingeschaltet
und eine Spannung an der Emitterinduk tivität 34 erzeugt wird,
gibt es kein Mittel, um den Gate-Widerstand variabel zu machen.
Daher wird der Bereich der Terrassenspannung der Gate-Spannungswellenform
(Vg), die während
der Einschaltzeitspanne konstant gehalten wird, erweitert. In der
vorliegenden Erfindung ist ein Mittel vorgesehen, um den Gate-Widerstand
variabel zu machen, wenn das Element eingeschaltet und eine Spannung
an der Emitterinduktivität 34 erzeugt
wird. Insbesondere fällt
in der vorliegenden Ausführungsform
wenn das Element eingeschaltet und eine Spannung an der Emitterinduktivität 34 erzeugt
wird, der Komparator 53 eine Entscheidung, ob eine Spannung
an der Emitterinduktivität
erzeugt worden ist. Wenn eine solche Spannung erzeugt worden ist,
wird der pMOSFET 55 eingeschaltet. Daher wird in der vorliegenden
Ausführungsform,
wenn das Element eingeschaltet wird, der Einschaltvorgang durchgeführt, wobei
der Gate-Widerstand durch die Summe aus dem Widerstand des Gate-Widerstands 24 und des
Widerstands des Schalt-Gate-Widerstands 56 bestimmt wird.
Wenn andererseits eine Emitterinduktivitätsspannung erzeugt wird, wird
ein Einschaltvorgang durchgeführt,
wobei eine Konstante durch den Widerstand des Gate-Widerstands 24 erzeugt
wird. Daher wird der Gate-Widerstand während der Einschaltzeitspanne
reduziert, in der der Kollektorstrom des IGBT zunimmt. Infolgedessen
kann die di/dt während
des Einschaltens erhöht
werden.
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Auf
diese Weise wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Steuerung bereitgestellt,
die die an der Emitterinduktivität
erzeugte Spannung nutzt, und daher kann das Leistungshalbleiterelement
mit hoher Geschwindigkeit angesteuert werden.
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Ausführungsform 3
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Ein
Blockdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
ist in 6 gezeigt, wobei die Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
gebaut ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen im
Blockdiagramm der Ausführungsform
1 wie auch dem Blockdiagramm der 6 bezeichnet.
Der Unterschied der vorliegenden Ausführungsform zum Blockdiagramm
der Treiberschaltung der 1 für ein Leistungshalbleiterelement
ist das Verfahren der Verbindung mit Erdpotenzial. In vor kurzem
hergestellten Leistungsmodulen wird ein zur Steuerung verwendeter
Emitteranschluss oft von dem Emitteranschluss 36 eines
IGBT-Moduls getrennt, um die Wirkungen der Spannung zu reduzieren,
die an der Emitterinduktivität 34 erzeugt
wird, wenn sie eingeschaltet wird (d. h. während des Schaltens). In diesem
Fall sind der Emitteranschluss zur Steuerung und das Erdpotenzial
der Treiberschaltung 11 der vorliegenden Ausführungsform äquipotenzial.
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Ein
spezifisches Schaltungsdiagramm der Treiberschaltung der vorliegenden
Ausführungsform ist
in 7 gezeigt, wobei die Treiberschaltung für das Leistungshalbleiterelement
verwendet wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Addierschaltung
unter Verwendung eines Operationsverstärkers 51 und eines
Widerstands 52 für
die Addierschaltung aufgebaut. Der Unterschied zur Ausführungsform
der 1 besteht darin, dass ein Vergleichspotenzial
für den
Operationsverstärker 51 das Potenzial
am Emitteranschluss 36 des IGBT-Moduls anstatt eines Emitteranschlusses
zur Steuerung ist. Infolgedessen kann eine während des Einschaltens an der
Emitterinduktivität 34 erzeugte
Spannung zu der Ausgabespannung von der Treiber-/Schutzschaltung
addiert werden.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird
eine Steuerung bereitgestellt, die die an einer Emitterinduktivität erzeugte
Spannung nutzt, und daher kann das Leistungshalbleiterelement mit
hoher Geschwindigkeit angesteuert werden.
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Ausführungsform 4
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Ein
Blockdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
ist in 8 gezeigt, wobei die Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
gebaut ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen im
Blockdiagramm der Ausführungsform
1 wie auch dem Blockdiagramm der 8 bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform
ist anstelle der Erfassung der während
des Einschaltens an der Emitterinduktivität 34 erzeugten Spannung
in dem Blockdiagramm der Treiberschaltung der 1 für ein Leistungshalbleiterelement eine
Gate-Spannungserfassungseinheit 14 angebracht. In der vorliegenden
Ausführungsform
wird die Gate-Spannung
durch diese Gate-Spannungserfassungseinheit 14 erfasst.
Der Strom durch den IGBT 32 kann auf der Grundlage der
erfassten Gate-Spannung geschätzt
werden. Daher kann das Leistungshalbleiterelement mit hoher Geschwindigkeit
auf dieselbe Weise wie in dem Fall angesteuert werden, in dem die
Emitterinduktivität 34 verwendet
wird.
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Ausführungsform 5
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Ein
Blockdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
ist in 9 gezeigt, wobei die Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
gebaut ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen im
Blockdiagramm der Ausführungsform
4 wie auch dem Blockdiagramm der 9 bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform
ist anstelle der Gate-Spannungserfassungseinheit 14 im
Blockdiagramm der Treiberschaltung der 1 für ein Leistungshalbleiterelement
eine Gate-Stromerfassungseinheit 15 angebracht. In der
vorliegenden Ausführungsform
wird die Gate-Spannung auf der Grundlage des Gate-Stroms unter Verwendung der
Gate-Stromerfassungseinheit 14 gefunden und der Strom durch
den IGBT 32 kann auf der Grundlage der Gate-Spannung auf
dieselbe Weise wie in Ausführungsform
4 geschätzt
werden. Infolgedessen kann die Leistungshalbleitervorrichtung mit
hoher Geschwindigkeit auf dieselbe Weise wie in dem Fall angesteuert
werden, in dem die Emitterinduktivität 34 verwendet wird.
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Ausführungsform 6
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Ein
Blockdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
ist in 10 gezeigt, wobei die Treiberschaltung
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
gebaut ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen in
allen Blockdiagrammen der Ausführungsformen
1 und 4 und der vorliegenden Ausführungsform bezeichnet. Der
Unterschied der vorliegenden Ausführungsform zu den Ausführungsformen
1 und 4 besteht darin, dass die Spannung an der Emitterinduktivität 34 und
die Gate-Spannung gleichzeitig beobachtet werden. Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
wird eine genauere Steuerung ermöglicht.
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Ausführungsform 7
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Ein
Blockdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
ist in 11 gezeigt, wobei die Treiberschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung
gebaut ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen im
Blockdiagramm der Ausführungsform
1 wie auch dem Blockdiagramm der 11 bezeichnet.
Der Unterschied der vorliegenden Ausführungsform zur Ausführungsform
1 besteht darin, dass ein SiC-JFET anstelle eines IGBT verwendet
wird. In einem normalerweise ausgeschalteten SiC-JFET ist die Schwellenspannung
auf etwa 1 bis 2 V eingestellt. Die Einschalt-Treiberspannung ist auf
einen sehr niedrigen Wert von etwa 3 V eingestellt. Wenn daher SiC-JFETs bei höheren Geschwindigkeiten
eingeschaltet werden, ist eine Steuerung notwendig, die die Emitterinduktivität 34,
die Gate-Spannung oder den Gate-Strom verwendet. Die Treiberschaltung
der vorliegenden Erfindung gestattet ein Hochgeschwindigkeitsschalten
von SiC-JFETs.
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Weiterhin
sollte von Fachleuten verstanden werden, dass die vorstehende Beschreibung
zwar über
Ausführungsformen
der Erfindung erfolgt ist, die Erfindung jedoch nicht auf diese
beschränkt
ist und verschiedene Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist der Erfindung
und dem Umfang der beigefügten
Ansprüche abzuweichen.