DE102007023879A1 - Gleichrichterschaltung und Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung in eine Gleichspannung - Google Patents

Gleichrichterschaltung und Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung in eine Gleichspannung Download PDF

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DE102007023879A1
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Roland Dr. Thewes
Ralf Dr. Brederlow
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
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    • H02M7/21Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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Abstract

Gleichrichterschaltung mit einem ersten Wechselspannungsanschluss (W1) und einem ersten Gleichspannungsanschluss (G1), wobei der erste Wechselspannungsanschluss (W1) mit einem ersten Source-Drain-Anschluss (SD1) eines ersten Tunnel-Transistors (T1) verbunden ist und der erste Gleichspannungsanschluss (G1) mit einem zweiten Source-Drain-Anschluss (SD2) des ersten Tunnel-Transistors (T1) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gleichrichterschaltung mit einem ersten Wechselspannungsanschluss und einem ersten Gleichspannungsanschluss sowie ein Verfahren zum Gleichrichten einer Wechselspannung in eine Gleichspannung.
  • In vielfältigen Anwendungen müssen Wechselspannungen in Gleichspannungen umgewandelt werden. Aufgrund der asymmetrischen Kennlinie von Dioden, bei denen Spannungen, die betragsmäßig größer als eine Schwellspannung Vd sind, durchgelassen werden und Spannungen, die betragsmäßig kleiner als die Schwellspannung Vd sind, gesperrt werden, werden diese bevorzugt für die Gleichrichtung von Wechselspannungen eingesetzt. Nachteilig beim Einsatz von Dioden ist der stets vorhandene Spannungsabfall an dem PN-Übergang in Durchlassrichtung von beispielsweise Vd = 0,6 bis 0,7 V bei einer Siliziumdiode. Werden Dioden in einem Brückengleichrichter eingesetzt, so tritt ein doppelt so großer Spannungsabfall von 2·Vd auf. Der Scheitelwert der Wechselspannung muss daher um mindestens 1,2 V bis 1,4 V größer als die Versorgungsspannung der Schaltung sein. Diese Anforderung führt bei Schaltungen, die nur mit geringen Wechselspannungen betrieben werden, wie zum Beispiel bei kontaktlosen Chipkarten, zu Schwierigkeiten. Der Spannungsabfall führt zusammen mit parasitären Serienwiderständen der Diode zu Durchlassverlusten, die bei einer kontaktlosen Energieübertragung in besonderer Weise nachteilig sind.
  • Der Einsatz von Transistoren, insbesondere von MOS-Feldeffekt-Transistoren, führt aufgrund von deren geringen Durchlasswiderständen zu einem sehr kleinen Durchlassspannungsabfall. Bei den Transistorschaltungen zum Gleichrichten unterscheidet man zwischen ungesteuerten und gesteuerten Schaltungen. Bei den ungesteuerten Transistorschaltungen werden die Transistoren durch die in der Schaltung vorhandenen Gleich- und Wechselspannungen leitend bzw. sperrend geschaltet. Anders als bei den Dioden, bei denen aufgrund der Kennlinie kein Rückfluss eines Stroms möglich ist, erfolgt bei einer ungesteuerten Transistorschaltung ein Leistungsrückfluss von der Gleichspannungsseite zur Wechselspannungsseite, wann immer die Gleichspannung größer als der aktuelle Zeitwert der Wechselspannung ist und die Transistoren durchgeschaltet sind. Dieser Leistungsrückfluss reduziert die am Gleichspannungsausgang zur Verfügung stehende Leistung, sodass der Wirkungsgrad der Gleichrichterschaltung sinkt. Insbesondere für kontaktlos betriebene Anwendungen, wie zum Beispiel kontaktlose Chipkarten, ist jedoch eine hohe Effizienz notwendig.
  • Der Leistungsrückfluss kann vermieden werden, wenn gesteuerte Transistoren in der Gleichrichterschaltung eingesetzt werden. Mit Hilfe von zum Beispiel Komparatoren kann festgestellt werden, ob die Gleichspannung größer als die Wechselspannung ist und daraufhin die Transistoren zum Sperren angesteuert werden. Die Ansteuerschaltung stellt jedoch ein zusätzliches Element der Gleichrichterschaltung dar, welche insbesondere aufgrund der aktiven Elemente aufwändig ist.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gleichrichterschaltung mit einem hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, bei der ein Leistungsrückfluss von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite ohne zusätzliche Ansteuerschaltung verhindert wird. Gleichzeitig soll ein zugehöriges Verfahren angegeben werden.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Gleichrichterschaltung mit einem ersten Wechselspannungsanschluss und einem ersten Gleichspannungsanschluss, wobei der erste Wechselspannungsanschluss mit einem ersten Source-Drain-Anschluss eines ersten Tunnel-Transistors verbunden ist und der erste Gleichspannungsanschluss mit einem zweiten Source-Drain-Anschluss des ersten Tunnel-Transistors verbunden ist. Ein Tunnel-Transistor weist die geringen Durchlassverluste eines Transistors und die Sperrcharakteristik einer Diode auf, sodass die Vorteile einer Diode zusammen mit denen eines Transistors kombiniert werden.
  • Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist ein Gate-Anschluss des ersten Tunnel-Transistors mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss verbunden. Durch das Verbinden des Gate-Anschlusses mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss wird der Tunnel-Transistor ohne Ansteuerschaltung angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt durch die in der Gleichrichterschaltung vorhandene Wechselspannung und Gleichspannung.
  • In einer Weiterbildung ist ein zweiter Gleichspannungsanschluss vorgesehen. Weiter ist ein zweiter Tunnel-Transistor vorgesehen, dessen erster Source-Drain-Anschluss mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss verbunden ist, dessen zweiter Source-Drain-Anschluss mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden ist und dessen Gate-Anschluss mit dem ers ten Wechselspannungsanschluss verbunden ist. Weiter ist ein dritter Tunnel-Transistor vorgesehen, dessen erster Source-Drain-Anschluss mit dem ersten Wechselspannungsanschluss verbunden ist, dessen zweiter Source-Drain-Anschluss mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden ist und dessen Gate-Anschluss mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss verbunden ist. Weiter ist ein vierter Tunnel-Transistor vorgesehen, dessen erster Source-Drain-Anschluss mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss verbunden ist, dessen zweiter Source-Drain-Anschluss mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden ist und dessen Gate-Anschluss mit dem ersten Wechselspannungsanschluss verbunden ist. Die vier Tunnel-Transistoren sind zu einem Brückengleichrichter verschaltet, sodass positive und negative Halbwellen der Wechselspannung gleichgerichtet werden. Durch die Zweiweggleichrichtung ergibt sich eine geringere Gleichspannungswelligkeit und ein höherer Wirkungsgrad der Gleichrichterschaltung.
  • In einer Weiterbildung weisen die Tunnel-Transistoren einen Kanalbereich zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Bereich auf, wobei ein Gate entlang dem Kanalbereich angeordnet ist.
  • In einer Weiterbildung sind die Gates der Tunnel-Transistoren MOS-Gates. MOS-Gates sind ohne nennenswerten Zusatzaufwand im Rahmen eines Standard-CMOS-Prozesses herstellbar.
  • In einer Weiterbildung weist der Kanalbereich des ersten und des zweiten Tunnel-Transistors einen ersten Dotierungstyp auf und der Kanalbereich des dritten und vierten Tunnel-Transistors einen zweiten Dotierungstyp auf, dessen Polarität dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzt ist. Der erste Dotierungstyp kann beispielsweise ein p-dotierter Typ sein und der zweite Dotierungstyp ein n-dotierter Typ. Der erste und der zweite Tunnel-Transistor sind dann so genannte „nTFETs" und der dritte und der vierte Tunnel-Transistor sind so genannte „pTFETs". nTFETs leiten als Transistor, wenn die Spannung zwischen dem Gate-Anschluss und dem p-dotierten ersten Source-Drain-Anschluss positiv ist, während pTFETs als Transistor leiten, wenn die Spannung zwischen dem Gate-Anschluss und dem n-dotierten ersten Source-Drain-Anschluss negativ ist.
  • In einer Weiterbildung weisen die Tunnel-Transistoren eine Sperrspannung im Rückwärtsbetrieb auf, die betragsmäßig größer ist, als die größte Spannung, die zwischen dem jeweiligen Gleichspannungsanschluss und dem Wechselspannungsanschluss, mit denen der jeweilige Tunnel-Transistor verbunden ist, auftritt. Im Rückwärtsbetrieb funktioniert der Tunnel-Transistor als Diode. Die Sperrspannung entspricht somit der Diodenschwellspannung des Tunnel-Transistors. Dadurch, dass die Sperrspannung im Rückwärtsbetrieb größer ist als die Spannung an den Tunnel-Transistoren, leiten die Tunnel-Transistoren nicht, wenn die Gleichspannung betragsmäßig größer ist, als der aktuelle Zeitwert der Wechselspannung. Ein Leistungsrückfluss von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite des Gleichrichters wird somit vermieden.
  • In einer Weiterbildung werden die Tunnel-Transistoren zum Erhöhen der Sperrspannung Vpnd im Rückwärtsbetrieb durch eine Serienschaltung einer Anzahl N von Tunnel-Transistoren ersetzt. Durch die Serienschaltung der Tunnel-Transistoren erhöht sich die Rückwärtssperrspannung Vpnd um den Faktor N.
  • In einer Weiterbildung wird die Anzahl N der Tunnel-Transistoren der Serienschaltungen so gewählt, dass die re spektive Sperrspannung im Rückwärtsbetrieb betragsmäßig größer ist, als die größte, betragsmäßig auftretende Spannung zwischen dem jeweiligen Gleichspannungsanschluss und dem Wechselspannungsanschluss, mit denen die jeweilige Serienschaltung von Tunnel-Transistoren verbunden ist. Sollte die Schwellspannung Vpnd eines Tunnel-Transistors kleiner sein, als die maximale Spannung zwischen seinem Gleichspannungsanschluss und seinem Wechselspannungsanschluss, so kann durch die Serienschaltung von mehreren Tunnel-Transistoren die Rückwärtssperrspannung N·Vpnd so gewählt werden, dass ein Leistungsrückfluss von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite nicht möglich ist.
  • In einer Weiterbildung wird die Transistorweite der in Serie geschalteten Tunnel-Transistoren erhöht, um die Stromtreibfähigkeit zu erhöhen. Mit der Serienschaltung der Transistoren sinkt deren Stromtreibfähigkeit. Durch Erhöhen der Transistorweite der in Serie geschalteten Tunnel-Transistoren lässt sich die Stromtreibfähigkeit wieder erhöhen.
  • In einer Weiterbildung sind die Tunnel-Transistoren so ausgestaltet, dass die Raumladungszone im Rückwärtsbetrieb des Tunnel-Transistors vollkommen verarmt wird. Anstelle des Ansatzes die Rückwärtssperrspannung durch eine Serienschaltung von Tunnel-Transistoren zu erhöhen, kann diese auch durch eine vollkommene Verarmung der Raumladungszone erhöht werden. Die vollkommen verarmte Raumladungszone leitet erst wieder, wenn betragsmäßig wesentlich größere Spannungen als die Dioden-Schwellspannung anliegen. Die Spannung hängt dabei von der Geometrie des Bauteils und den Dotierkonzentrationen ab, die unter anderem die Ausdehnung der Raumladungszone bestimmen.
  • In einer Weiterbildung ist ein Kondensator zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss und dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden. Der Kondensator dient zum Glätten der Gleichspannung, die zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss und dem zweiten Gleichspannungsanschluss anliegt.
  • Die Erfindung stellt weiter ein Verfahren zum Gleichrichten von Wechselspannungen in eine Gleichspannung zur Verfügung, bei dem der Leistungsfluss von der Gleichspannungsseite zur Wechselspannungsseite durch mindestens einen in Sperrrichtung betriebenen Tunnel-Transistor verhindert wird. Der Tunnel-Transistor hat eine niedrige Verlustleistung wenn Leistung von der Wechselspannungsseite in die Gleichspannungsseite übertragen wird und sperrt gleichzeitig bis zu einer Sperrspannung einen Leistungsfluss von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite.
  • Die Erfindung sieht weiter vor, dass die Gleichrichterschaltung und das Verfahren in einer kontaktlosen Chipkarte oder einem kontaktlosen Identifizierungsdatenträger eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch einen NMOS-Tunnel-Feldeffekttransistor,
  • 2 ein Schaltsymbol für einen NMOS-Tunnel-Feldeffekttransistor,
  • 3 einen schematischen Querschnitt durch einen PMOS-Tunnel-Feldeffekttransistor,
  • 4 ein Schaltsymbol für einen PMOS-Tunnel-Feldeffekttransistor,
  • 5 schematische Kennlinien eines NMOS-Tunnel-Feldeffekttransistors,
  • 6 schematische Kennlinien von zwei in Serie geschalteten NMOS-Tunnel-Feldeffekttransistoren,
  • 7 schematische Kennlinien von drei in Serie geschalteten NMOS-Tunnel-Feldeffekttransistoren,
  • 8 schematische Kennlinien eines NMOS-Tunnel-Feldeffekttransistors mit vollständig verarmter Raumladungszone,
  • 9 ein Ausführungsbeispiel eines Einweg-Gleichrichters mit einem Tunnel-Feldeffekttransistor,
  • 10 ein Ausführungsbeispiel eines Brückengleichrichters mit Tunnel-Feldeffekttransistoren und
  • 11 ein Ausführungsbeispiel eines Brückengleichrichters mit in Serie geschalteten Tunnel-Feldeffekttransistoren.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen NMOS-Tunnel-Feldeffekttransistor, der hier mit „nTFET" abgekürzt wird. An einem p+ dotierten Gebiet ist ein erster Source-Drain-Anschluss SD1 vorgesehen, an dem das Potenzial Vp angelegt werden kann. An einem n+ dotierten Gebiet ist ein zweiter Source-Drain-Anschluss SD2 vorgesehen, an dem das Potenzial Vn angelegt werden kann. Das p+ und das n+ dotierte Gebiet sind durch einen p- dotierten Kanalbereich S miteinander verbunden. Über dem Kanalbereich S ist ein Gate Stack mit einem Gate-Dielektrikum GD und einer Gate-Elektrode GE mit einem Gate-Anschluss G zum Anlegen eines Potenzials Vg angeordnet. Die Dotierung des n+-Gebiets und des p+-Gebiets liegt bei 1018 ... 1021 Atome/cm3, der Kanalbereich S kann eigenleitendes Silizium oder mit 1016 Atome/cm3 schwach p-dotiert sein.
  • Im nicht leitenden Zustand besteht eine relativ große PN-Dioden-Sperrschicht zwischen dem ersten Source-Drain-Anschluss SD1 und dem zweiten Source-Drain-Anschluss SD2, wodurch sehr kleine Leckströme erreicht werden. Im Vorwärtsbetrieb leitet der Tunnel-Transistor aufgrund eines quantenmechanischen Tunneleffekts, der bisher als parasitärer Effekt angesehen wurde. Bei Anlegen einer gegenüber Vp positiven Durchlassspannung Vg am Gate G bildet sich ein leitender Inversionskanal aus. Beim Anlegen einer negativen Spannung Vp an den ersten Source-Drain-Anschluss SD1 und einer positiven Spannung Vn an dem zweiten Source-Drain-Anschluss SD2 fließt ein Zener-Tunnelstrom mit einer steilen Anschaltcharakteristik durch die rückwärtsgepolte Diode zwischen dem n+ und dem p- Gebiet. Im Rückwärtsbetrieb muss dagegen erst eine Schwellspannung Vpnd der Diode zwischen dem p- und n+ Gebiet überschritten werden, damit ein Rückwärtsstrom durch den Tunnel-Transistor fließt. Vorteilhaft bei Tunnel-Feldeffekttransistoren ist, dass diese mit einem Standard-Silizium-CMOS-Prozess gefertigt werden können und Kurz-Kanaleffekte bis zu sehr kleinen Geometrien vernachlässigt werden können. Die kleineren Geometrien erlauben den Einsatz von reduzierten Versorgungsspannungen, den so genannten "ultra-low-voltages", von ca. 0,6 V.
  • In 2 ist ein Schaltbild für den in 1 gezeigten nTFET angegeben. Im Unterschied zu einem normalen MOS-FET ist eine Diode eingezeichnet, durch welche der Source-Drain Anschluss, der eine Diode zum Kanalbereich S bildet, gekennzeichnet wird.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen PMOS-Tunnel-Feldeffekttransistor, der hier mit „pTFET" abgekürzt wird. Ein Vergleich mit dem in 1 gezeigten nTFET zeigt, dass der Kanalbereich S nunmehr nicht p- , sondern n-dotiert ist und die Source-Drain-Anschlüsse SD1, SD2 nun respektive mit den n+ bzw. p+ Gebieten verbunden sind. Die Beschreibung und Funktionsweise des pTFETs ist bis auf die vertauschten Polaritäten mit denen des in 1 gezeigten nTFET identisch und wird daher nicht weiter beschrieben.
  • In 4 ist ein Schaltbild für den in 3 gezeigten pTFET angegeben. Die eingezeichnete Diode stellt den PN-Übergang zwischen dem p+ und dem n-Gebiet dar. In den folgenden Stromkreisläufen werden die Symbole aus den 2 und 4 für nTFETs und pTFETs benutzt.
  • In 5 sind die Kennlinien eines nTFETs schematisch skizziert. Solange die Spannung zwischen dem zweiten Source-Drain-Anschluss SD2 und dem ersten Source-Drain-Anschluss SD1 positiv ist, d. h. Vn – Vp positiv ist, und an dem Gate G eine gegenüber Vp positive Gate-Spannung Vg angelegt ist, ergibt sich für den Vorwärtsbetrieb das im oberen rechten Quadranten gezeigte Kennlinienfeld. Falls dagegen im Rückwärtsbetrieb Vn – Vp negativ ist, kann ein nTFET im Wesentlichen als PN-Diode wirken, mit der im unteren linken Quadranten gezeigten Kennlinie. Die Sperrspannung ist die Schwellspannung Vpnd der Diode und beträgt bei Verwendung des Materials Silizium typischerweise 0,6 bis 0,7 V. Die Tunneldiode kann daher im Vorwärtsbetrieb mit dem geringen Durchlasswiderstand eines Transistors betrieben werden, sodass die Durchlassverluste gering sind und sperrt im Rückwärtsbetrieb bis zu der Schwellspannung Vpnd wie eine Diode. Der Tunnel-Transistor kann somit für Gleichrichtzwecke eingesetzt werden, wobei ein Leistungsrückfluss für negative Spannungen zwischen dem ersten und zweiten Source-Drain-Anschluss SD1, SD2 bis zur Schwellspannung Vpnd verhindert wird.
  • 6 zeigt schematisch die Kennlinien zweier in Serie geschalteter Tunnel-Transistoren mit einer Charakteristik gemäß 5. Im rechten oberen Quadranten ergibt sich eine Reduktion des Stroms, die in etwa umgekehrt proportional zur Summe der Kanallängen ist. Im unteren linken Quadranten ist eine Summation von zwei Schwellspannungen Vpnd gezeigt, sodass betragsmäßig mehr als 2·Vpnd angelegt werden muss, bevor ein signifikanter Stromfluss in Rückwärtsrichtung eintritt.
  • Bei der Serienschaltung wird der erste Source-Drain-Anschluss SD1 von einem Tunnel-Transistor an den zweiten Source-Drain-Anschluss SD2 eines anderen Tunnel-Transistors angeschlossen. Die Gates G werden parallel angesteuert. 11 zeigt ein Schaltbild mit N in Serie geschalteten Tunnel-Transistoren.
  • In 7 sind drei Tunnel-Transistoren in Serie geschaltet, in ähnlicher Weise V wie bereits für 6 beschrieben wurde. Im rechten oberen Quadranten ergibt sich eine weitere Reduktion des Stroms, im unteren linken Quadranten ergibt sich die Summation von drei Schwellspannungen Vpnd. Die in 6 und 7 gezeigten Serienschaltungen von Tunnel-Transistoren sind geeignet, um höhere Sperrspannungen im Rückwärtsbetrieb zu erreichen. Liegt die Schwellspannung Vpnd zwischen 0,6 V und 0,7 V, so lässt sich der Tunnel-Transistor nur für Schaltungen mit extrem niedriger Versorgungsspannung einsetzen. Durch die Serienschaltung gemäß 6 und 7 erhält man Sperrspannungen von 1,2 V bis 2,1 V, sodass auch Schaltungen, die mit diesen Spannungen betrieben werden, einen Tunnel-Transistor zur Gleichrichtung einsetzen können. Die herabgesetzte Stromtreibfähigkeit im oberen rechten Quadranten der Kennlinienfelder lässt sich durch entsprechende Vergrößerung der Transistorweite kompensieren.
  • 8 zeigt ein weiteres Kennlinienfeld eines nTFETs, bei dem die Sperrspannung betragsmäßig weiter als die Schwellspannung Vpnd erhöht wird. Je nach Ausführung des Bauelements bezüglich des Substratmaterials und der Bauform ist es möglich, dass der Tunnel-Transistor bei negativem Vn – Vp keine PN-Diodenkennlinie aufweist, sondern bei negativer Vg – Vp Spannung und betragsmäßig moderaten Werten von Vn – Vp, von zum Beispiel kleiner 2 ... 4 V, vollkommen verarmt, sodass ein Stromfluss nahezu vollständig unterbunden ist. Ein technischer Stromfluss vom p- zu n+ Gebiet setzt erst wieder ein, wenn Vn – Vp verhältnismäßig große negative Werte Vpnv, von zum Beispiel größer als 5 ... 7 V, annimmt. Die Sperrspannung Vpnv hängt von den Dotierungskonzentrationen und von den geometrischen Parametern des Bauelements ab, die unter anderem die Ausdehnung der Raumladungszone zwischen p- und n+ Gebiet bestimmen. Die Dotierung des Kanals kann dabei zwischen 0 ... 1017 Atome/cm3 betragen. Zu den geometrischen Parametern des Bauelements gehört die Dicke des Body-Materials, das ein Standard Bulk-Wafer oder Silicon On Isolator (SOI) sein kann. Je nach Verfügbarkeit liegt die Dicke eines Standard Bulk- Wafer zwischen 300 und 700 μm und die eines SOI-Bodys zwischen 10 und 100 nm. Die Bauform wirkt sich zusätzlich auf die Ausdehnung der Raumladungszone aus und kann planar oder als FINFET ausgeführt werden. Ob ein TFET nach 5 oder 8 gewählt wird hängt unter anderem von der Verfügbarkeit der Herstellungsprozesse und dem Flächenbedarf ab.
  • Die in den 5 bis 8 gezeigten Kennlinien gelten für nTFETs; nach entsprechendem Anpassen der Polaritäten gelten sie auch für pTFETs.
  • 9 zeigt ein Schaltbild eines Einweg-Gleichrichters mit einem Tunnel-Transistor T1. Ein erster Wechselspannungsanschluss W1 ist mit dem ersten Source-Drain-Anschluss SD1 des Tunnel-Transistors T1 verbunden, während ein erster Gleichspannungsanschluss G1 mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss SD2 des Tunnel-Transistors T1 verbunden ist. Das Gate G des Tunnel-Transistors T1 ist mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss W2 und dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 verbunden. Zur Glättung der Ausgangsspannung ist zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 und dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 ein Kondensator C vorgesehen. Zwischen dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 und dem zweiten Wechselspannungsanschluss W2 ist eine Wechselspannungsquelle W angeschlossen. Der Tunnel-Transistor T1 ist ein pTFET.
  • Falls das Gate-Potenzial Vg negativ gegenüber dem Potenzial Vn an dem ersten Source-Drain-Anschluss SD1 ist und das Potenzial Vp an dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 kleiner als das Potenzial Vn an dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 ist, so leitet der pTFET. Eine positive Halbwelle zwischen dem ersten und dem zweiten Wechselspannungsanschlüssen W1 und W2 wird daher an die Gleichspannungsanschlüsse G1 und G2 weitergeleitet und Leistung fließt von der Wechselspannungsseite zur Gleichspannungsseite. Ist dagegen das Gate-Potenzial Vg positiv gegenüber dem Potenzial Vn am ersten Source-Drain-Anschluss SD1 und gegen Vp an dem zweiten Source-Drain-Anschluss SD2, so leitet der Transistor nicht. Eine negative Halbwelle zwischen den ersten und zweiten Wechselspannungsanschlüssen W1, W2 wird daher nicht an die Gleichspannungsanschlüsse G1, G2 weitergeleitet. Die gezeigte Schaltung ist daher ein Einweg-Gleichrichter. Der Spannungsabfall bei Leistungsfluss von der Wechselspannungsseite in die Gleichspannungsseite kann durch die Wahl der Transistorweite sehr gering gehalten werden und unterliegt nicht einer fundamentalen Materialkonstante, wie es bei der Schwellspannung einer PN-Diode der Fall ist.
  • Für einen Leistungsrückfluss müsste der Tunnel-Transistor T1 leiten. Gleichzeitig müsste Vp größer als Vn sein, das heißt die Spannung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 und dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 müsste größer sein als die Spannung zwischen dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 und dem zweiten Wechselspannungsanschluss W2. Dieser Fall tritt ein, wenn die in dem Kondensator C anliegende Spannung höher wäre als die Spannung der Wechselspannungsquelle W, sodass Leistung von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite fließen würde.
  • Im Gegensatz zu einem Einweg-Gleichrichter mit einem normalen p-Kanal MOS-FET findet jedoch aufgrund der Kennlinie des Tunnel-Transistors T1 kein Leistungsrückfluss statt, außer wenn bis die Spannung zwischen der Gleichspannungsseite G1 und der Wechselspannungsseite W1, das heißt zwischen Vp und Vn, einen Schwellwert überschreitet, der gleich der Sperrspannung Vpnd oder Vpnv des Tunnel-Transistors T1 ist. Ein Leistungsrückfluss, der zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der Gleichrichterschaltung führt, findet somit nicht statt, solange die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Source-Drain-Anschluss SD1 und SD2 nicht größer als die Sperrspannung Vpnd oder Vpnv ist.
  • Mit einer Kennlinie gemäß 5 ist die in 9 gezeigte Schaltung besonders für Ultra-Low-Voltage-Anwendungen geeignet.
  • Zum Gleichrichten von Schaltungen mit höheren Spannungsunterschieden kann eine Anzahl N von Tunnel-Transistoren in Serie geschaltet werden. Die Kennlinien sind für zwei und drei Tunnel-Transistoren zusammen mit 6 und 7 bereits beschrieben worden. Bei N in Serie geschalteten Transistoren ergibt sich eine Schwellspannung von N·Vpnd, sodass ein Leistungsrückfluss erst für wesentlich größere Differenzen zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 und dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 einsetzt als bei Verwendung von nur einem Tunnel-Transistor.
  • Alternativ zu der Serienschaltung von Tunnel-Transistoren lassen sich auch Tunnel-Transistoren einsetzen, die eine Kennlinie wie in 8 aufweisen. Leistungsrückfluss tritt erst bei Spannungen Vpnv zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 und dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 auf, die betragsmäßig wesentlich größer als die PN-Dioden-Schwellspannung Vpnd sind. Eine derartige Schaltung ist für Ultra-Low-Voltage-Anwendungen wie auch für höhere Betriebsspannungen geeignet.
  • Die in 9 gezeigte Schaltung verhindert einen Leistungsrückfluss von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite, weist eine einfache Topologie auf und kommt ohne zusätzliche Ansteuerschaltungen aus. Sie besitzt daher einen hohen Wirkungsgrad bei geringer benötigter Chipfläche. Die Schaltung lässt sich auch mit einem nTFET realisieren, wobei die Polaritäten der Spannungen vertauscht werden müssen.
  • 10 zeigt einen Brücken-Gleichrichter mit vier Tunnel-Transistoren T1, T2, T3 und T4. Ein erster Source-Drain-Anschluss SD1, ein zweiter Source-Drain-Anschluss SD2 und der Gate-Anschluss G eines ersten Tunnel-Transistors T1 sind jeweils respektive mit einem ersten Wechselspannungsanschluss W1, einem ersten Gleichspannungsanschluss G1 und einem zweiten Wechselspannungsanschluss W2 verbunden. Der erste Source-Drain-Anschluss SD1, der zweite Source-Drain-Anschluss SD2 und der Gate-Anschluss G eines zweiten Tunnel-Transistors T2 sind jeweils respektive mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss W2, dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 und dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 verbunden. Die Tunnel-Transistoren T1 und T2 sind pTFETs. Der erste Source-Drain-Anschluss SD1, der zweite Source-Drain-Anschluss SD2 und der Gate-Anschluss G eines dritten Tunnel-Transistors T3 sind jeweils respektive mit dem ersten Wechselspannungsanschluss W1, dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 und dem zweiten Wechselspannungsanschluss W2 verbunden. Der erste Source-Drain-Anschluss SD1, der zweite Source-Drain-Anschluss SD2 und der Gate-Anschluss G eines vierten Tunnel-Transistors T4 sind jeweils respektive mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss W2, dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 und dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 verbunden. Die Tunnel-Transistoren T3 und T4 sind nTFETs. Zwischen dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 und dem zweiten Wechselspannungsan schluss W2 ist eine Wechselspannungsquelle W vorgesehen, die zum Beispiel eine Antennenspule einer kontaktlosen Chipkarte sein kann. Zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 und dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 ist ein Kondensator C vorgesehen, der zum Glätten der gleichgerichteten Wechselspannung dient.
  • Bei einer positiven Halbwelle der Wechselspannungsquelle W leiten die Tunnel-Transistoren T1 und T4, während die Tunnel-Transistoren T2 und T3 sperren. Strom fließt von dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 über den ersten Tunnel-Transistor T1 zum ersten Gleichspannungsanschluss G1 und zurück durch den zweiten Gleichspannungsanschluss G2 und den vierten Tunnel-Transistor T4 zum zweiten Wechselspannungsanschluss W2. Bei einer negativen Halbwelle der Wechselspannungsquelle W leiten die Tunnel-Transistoren T2 und T3, während die Tunnel-Transistoren T1 und T4 sperren. Der Strom fließt von dem zweiten Wechselspannungsanschluss W2 durch den zweiten Tunnel-Transistor T2 zum ersten Gleichspannungsanschluss G1 und zurück durch den zweiten Gleichspannungsanschluss G2 und den dritten Tunnel-Transistor T3 zu dem ersten Wechselspannungsanschluss W1.
  • Leiten entweder der erste Tunnel-Transistor T1 und der vierte Tunnel-Transistor T4 oder der zweite Tunnel-Transistor T2 und der dritte Tunnel-Transistor T3 und ist das Potenzial an dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 größer als das Potenzial an dem ersten Wechselspannungsanschluss W1 beziehungsweise dem zweiten Wechselspannungsanschluss W2, so findet aufgrund der Kennlinien der Tunnel-Transistoren kein Leistungsrückfluss von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite statt. Voraussetzung dafür ist, dass die zwischen dem ersten und zweiten Source-Drain-Anschlüssen SD1 und SD2 an liegende Spannung betragsmäßig nicht größer ist als die Sperrspannung Vpnd oder Vpnv der Transistoren T1 bis T4. Die Transistoren können so wie in 5 gezeigt mit einer Dioden-Schwellspannung, insbesondere bei Ultra-Low-Voltage-Anwendungen eingesetzt werden. Alternativ dazu können sie so ausgelegt werden, dass eine vollkommene Verarmung der Raumladungszone wie gemäß 8 eintritt und die Sperrspannung Vpnv betragsmäßig höher wird.
  • 11 zeigt die gleiche Schaltung wie in 10, nur dass die einzelnen Tunnel-Transistoren T1 bis T4 durch eine Serienschaltung von Tunnel-Transistoren ersetzt wurden, um die Sperrspannung N·Vpnd ähnlich wie in 6 und 7 zu erhöhen. Der Transistor T1 besteht nun aus N Transistoren T11, T12, ..., T1N, deren Gates G zusammen angesteuert werden und deren Source-Drain-Anschlüsse in Serie geschaltet sind. In ähnlicher Weise ist der zweite Tunnel-Transistor T2, der dritte Tunnel-Transistor T3 und der vierte Tunnel-Transistor T4 als Serienschaltung ausgeführt. Die Funktionsweise ist die gleiche wie in 10. Zur Erhöhung der Stromtreibfähigkeit können die einzelnen in Serie geschalteten Transistoren jedoch vergrößerte Transistorweiten aufweisen. Auch die in den 10 und 11 gezeigte Gleichrichterschaltung verhindert einen Leistungsrückfluss von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite und kommt ohne Ansteuerschaltung aus.
  • C
    Kondensator
    G
    Gate-Anschluss
    G1, G2
    erster und zweiter Gleichspannungsanschluss
    GD
    Gate-Dielektrikum
    GE
    Gate-Elektrode
    I
    Strom
    S
    Kanalbereich
    SD1, SD2
    erster und zweiter Source-Drain-Anschluss
    Ti
    Tunnel-Transistor, i = 1 bis 4
    Tij
    Tunnel-Transistor in Serie , i = 1 bis 4; j = 1 bis N
    Vg
    Gate-Spannung
    Vn
    Spannung am n+ Bereich
    Vp
    Spannung am p+ Bereich
    Vpnd
    Dioden-Schwellspannung der Tunnel-Transistoren
    Vpnv
    Sperrspannung eines verarmten PN-Übergangs
    W
    Wechselspanungsquelle
    W1, W2
    erster und zweiter Wechselspannungsanschluss

Claims (14)

  1. Gleichrichterschaltung mit einem ersten Wechselspannungsanschluss (W1) und einem ersten Gleichspannungsanschluss (G1) dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Wechselspannungsanschluss (W1) mit einem ersten Source-Drain-Anschluss (SD1) eines ersten Tunnel-Transistors (T1) verbunden ist, und – der erste Gleichspannungsanschluss (G1) mit einem zweiten Source-Drain-Anschluss (SD2) des ersten Tunnel-Transistors (T1) verbunden ist.
  2. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gate-Anschluss (G) des ersten Tunnel-Transistors (T1) mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss (W2) verbunden ist.
  3. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweiter Gleichspannungsanschluss (G2) vorgesehen ist, – ein zweiter Tunnel-Transistor (T2) vorgesehen ist, dessen erster Source-Drain-Anschluss (SD1) mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss (W2) verbunden ist, dessen zweiter Source-Drain-Anschluss (SD2) mit dem ersten Gleichspannungsanschluss (G1) verbunden ist, dessen Gate-Anschluss (G) mit dem ersten Wechselspannungsanschluss (W1) verbunden ist, – ein dritter Tunnel-Transistor (T3) vorgesehen ist, dessen erster Source-Drain-Anschluss (SD1) mit dem ersten Wechselspannungsanschluss (W1) verbunden ist, dessen zweiter Source-Drain-Anschluss (SD2) mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) verbunden ist, dessen Gate-Anschluss (G) mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss (W2) verbunden ist, und – ein vierter Tunnel-Transistor (T4) vorgesehen ist, dessen erster Source-Drain-Anschluss (SD1) mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss (W2) verbunden ist, dessen zweiter Source-Drain-Anschluss (SD2) mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) verbunden ist, dessen Gate-Anschluss (G) mit dem ersten Wechselspannungsanschluss (W1) verbunden ist.
  4. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnel-Transistoren (T1, T2, T3, T4) einen Kanalbereich (S) zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Bereich aufweisen, wobei ein Gate (G) entlang dem Kanalbereich (S) angeordnet ist.
  5. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gates (G) der Tunnel-Transistoren MOS-Gates sind.
  6. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kanalbereich (S) des ersten und des zweiten Tunnel-Transistors (T1, T2) einen ersten Dotierungstyp aufweist, und – der Kanalbereich (S) des dritten und vierten Tunnel-Transistors (T3, T4) einen zweiten Dotierungstyp aufweist, dessen Polarität dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzt ist.
  7. Gleichrichterschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnel-Transistoren (T1, T2, T3, T4) eine Sperrspannung (N·Vpnd, Vpnv) im Rückwärtsbetrieb aufweisen, die betragsmäßig größer ist, als die größte Spannung, die zwischen dem jeweiligen Gleichspannungsanschluss (G1, G2) und dem Wechsel spannungsanschluss (W1, W2), mit denen der jeweilige Tunnel-Transistor verbunden ist, auftritt.
  8. Gleichrichterschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhöhen der Sperrspannung (Vpnd) im Rückwärtsbetrieb die Tunnel-Transistoren (T1, T2, T3, T4) jeweils durch eine Serienschaltung einer Anzahl N von Tunnel-Transistoren (Tij; i = 1 ... 4; j = 1 ... N) ersetzt werden.
  9. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N von Tunnel-Transistoren (Tij; i = 1 ... 4; j = 1 ... N) der Serienschaltungen so gewählt wird, dass die respektive Sperrspannung (Vpnd) im Rückwärtsbetrieb betragsmäßig größer ist, als die größte, betragsmäßig auftretende Spannung zwischen dem jeweiligen Gleichspannungsanschluss (G1, G2) und dem Wechselspannungsanschluss (W1, W2), mit denen die jeweilige Serienschaltung von Tunnel-Transistoren verbunden ist.
  10. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhöhen der Stromtreibfähigkeit die Transistorweite der in Serie geschalteten Tunnel-Transistoren (Tij; i = 1 ... 4; j = 1 ... N) erhöht wird.
  11. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnel-Transistoren (T1, T2, T3, T4) so ausgestaltet sind, dass die Raumladungszone im Rückwärtsbetrieb des Tunnel-Transistors vollkommen verarmt wird.
  12. Gleichrichterschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (C) zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss (G1) und dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) verbunden ist.
  13. Verfahren zum Gleichrichten von Wechselspannungen in eine Gleichspannung, bei dem der Leistungsfluss von der Gleichspannungsseite (G1, G2) zur Wechselspannungsseite (W1, W2) durch mindestens einen in Sperrrichtung betriebenen Tunnel-Transistor (T1, T2, T3, T4) verhindert wird.
  14. Verwendung der Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und des Verfahrens nach Anspruch 13, in einer kontaktlosen Chipkarte oder einem kontaktlosen Identifizierungsdatenträger.
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