DE102009016627A1 - Ohne Ansteuerung sperrendes Schaltsystem - Google Patents

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Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Schaltsystem mit einem Halbleiterbauelement des Verarmungstyps, wie zum Beispiel ein Siliziumcarbidbauelement, das mit einem Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps, wie zum Beispiel einem Silizium-Feldeffekttransistor, in Reihe geschaltet ist, so dass eine Steuerung dafür ausgelegt werden kann, die Leitfähigkeit der Reihenschaltung der beiden Schalter während eines transienten Betriebszustands zu sperren. Während des normalen Hochfrequenz-Schaltbetriebs gibt die Steuerung die Leitung des Anreicherungsbauelements dauernd frei, während sie die Leitung des Verarmungsbauelements in Abständen freigibt. Die Steuerung sperrt die Leitung des Anreicherungsbauelements während eines transienten Betriebszustands, wie zum Beispiel eines Herauffahrens oder während eines Fehlers, und stellt dadurch Schaltungsschutz während solcher Transienten bereit. aften des Verarmungsbauelements in einem Hochfrequenz-Schaltnetzwerk.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schaltsystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltsystems, das ohne Ansteuerung sperrt.
  • Halbleiterbauelemente, die für Hochfrequenz- und Hochspannungsschaltanwendungen ausgelegt sind, und insbesondere diejenigen, die für impulsbreitengesteuerte Stromumrichtung ausgelegt sind, werden zunehmend mit Verbundhalbleitermaterialien wie etwa Siliziumcarbid ausgelegt. Diese Materialien besitzen einen großen Bandabstand zwischen Valenz- und Leitungsband und relativ hohe Mobilität für freie Träger. Zusätzlich können sie ohne Durchschlag einem hohen internen elektrischen Feld widerstehen, wie zum Beispiel einem elektrischen Feld von mehr als 106 Volt pro Zentimeter („cm”), das in Siliziumcarbid aufrechterhalten werden kann. Das Ergebnis ist ein Bauelement mit ausgezeichneten Schalt-, Spannungssperr- und Leitungseigenschaften in Hochleistungsanwendungen. Im Vergleich zu einem üblicherweise mit Silizium gebildeten Bauelement ergeben solche Verbundhalbleiterbauelemente in Hochleistungsschaltungen wesentlich verbesserte Leistungsfähigkeit mit nur mäßigen Schaltverlusten bei relativ hohen Schaltfrequenzen.
  • Aus Verbundhalbleitern gebildete hochleistungsfähige Bauelemente sind jedoch oft Ruhekontaktbauelemente bzw. Bauelemente, die ohne Ansteuerung leiten (normally on). Ein Ruhekontaktbauelement ist stark leitfähig, wenn null Volt an seinen Steueranschluss, d. h. sein Gate, angelegt werden. Eine Ruhekontaktkurve ist im Allgemeinen bei Leistungsschaltanwendungen aufgrund des Kurz schlusses, der produziert werden kann, wenn ein Endprodukt anfänglich mit einer Stromquelle gekoppelt wird, schwierig anzuwenden.
  • Es sind mehrere Schaltungsanordnungen, die im Allgemeinen als „Kaskoden”-Schaltungen bezeichnet werden, bekannt, um den Kurzschluss zu umgehen, der erzeugt wird, wenn ein Endprodukt, das ein Ruhekontaktbauelement enthält, anfänglich mit einer Stromquelle gekoppelt wird. Eine Kaskodenschaltung enthält außerdem in Reihe mit dem Ruhekontaktbauelement ein auf Silizium basierendes Bauelement des Arbeitskontakttyps bzw. eines Bauelements, das ohne Ansteuerung sperrt (normally off), so dass die Reihenschaltung einen Arbeitskontakt-Leitungszustand zeigt, wenn null Volt an einen Steueranschluss angelegt werden. Die Hochfrequenz-Schalteigenschaften solcher Kaskodenschaltungen sind jedoch im Allgemeinen denen mit einem alleine arbeitenden Verbundhalbleiterbauelement erhältlichen wesentlich unterlegen.
  • Somit wird eine Schaltungsanordnung mit einem Ruhekontakt-Verbundhalbleiterbauelement mit der Fähigkeit zum Sperren des Stromflusses, wenn null Volt an einen Steueranschluss angelegt werden, benötigt, die die gewöhnlich bei Verwendung einer ohne Ansteuerung sperrenden (normally off) Kaskodenschaltungsanordnung auftretende Verschlechterung der Hochfrequenz-Schaltleistungsfähigkeit vermeidet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Schaltsystem sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schaltsystems zu schaffen, wobei das Schaltsystem im nicht angesteuerten Zustand sperrt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils Ausführungsformen der Erfindung.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Schaltsystem und ein diesbezügliches Verfahren bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform steuert eine Steuerung die Gates einer Kaskodenanordnung von Halbleiterbauelementen, deren Stromwege in Reihe geschaltet sind. Eines der Halbleiterbauelemente ist ein Bauelement des Anreicherungstyps und das andere ein Bauelement des Verarmungstyps. Bei einer Ausführungsform bewirkt die Steuerung, dass das Anreicherungsbauelement dauernd leitet und das Verarmungsbauelement in Abständen leitet, um dadurch eine Leitfähigkeit des Schaltsystems in Abständen zu steuern. Bei einer Ausführungsform sperrt die Steuerung die Leitung des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps während eines transienten Betriebszustands des Schaltsystems.
  • Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen hervorgehen. In den Figuren bezeichnen in den verschiedenen Ansichten durchweg identische Bezugssymbole im Allgemeinen dieselben Bestandteile. Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
  • 1 ein Schaltbild einer mit einem Ruhekontaktbauelement gebildeten herkömmlichen Kaskodenschaltung;
  • 2 ein Schaltbild einer Kaskodenschaltungsanordnung mit einem Ruhekontakt-Halbleiterbauelement mit einem Stromweg, der mit einem Stromweg eines Arbeitskontakt-Halbleiterbauelements in Reihe geschaltet ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
  • 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Stromstrecke eines Stromumrichters, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufgebaut ist.
  • Im Folgenden wird die Herstellung und Verwendung von Ausführungsformen ausführlich besprochen. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in vielfältigen spezifischen Kontexten realisiert werden können. Die spezifischen besprochenen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich spezifische Arten der Herstellung und Verwendung der Erfindung und begrenzen nicht den Schutzumfang der Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich eines Schaltsystems, das mit einer Steuerung gebildet ist, die die Gates einer Kaskodenanordnung von Halbleiterbauelementen steuert, deren Stromwege in Reihe geschaltet sind, wobei eines der Halbleiterbauelemente ein Anreicherungsbauelement und das andere ein Verarmungsbauelement ist.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung kann auf verschiedene Leistungsschaltanordnungen, zum Beispiel ein Leistungssystem mit einem Stromumrichter, angewandt werden. Andere Leistungsschaltanordnungen können unter Verwendung eines Schaltsystems in verschiedenen Kontexten unter Verwendung der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Konzepte aufgebaut werden, zum Beispiel ein Schaltsystem zum Öffnen einer Verbindung mit einer Spannungsquelle.
  • Schaltnetzwerkbauelemente wie etwa MOSFETs (Metalloxid-Siliziumfeldeffekttransistoren) auf der Basis von Siliziumcarbid- oder anderen Verbundhalbleitermaterialien bieten im Allgemeinen insbesondere bei hohen Betriebsspannungen bessere Leitungs-, Spannungssperr- und Schalteigenschaften als zur Zeit mit herkömmlichen auf Silizium basierenden Bauelementen verfügbar sind. Die besten Siliziumcarbid-JFET-Bauelemente (Sperrschicht-Feldeffekttransistor), die zur Zeit verfügbar sind, sind jedoch Verarmungsbauelemente, d. h. sie sind ein Ruhekontakt, wenn null Potential an sein Gate mit Bezug auf seinen Source-Anschluss angelegt wird. Wie bereits beschrieben ist im Allgemeinen ein Anreicherungsbauelement, d. h. ein Bauelement, das nur leitet, wenn ein von null verschiedenes, im Allgemeinen positives Potential an sein Gate angelegt wird, für einen Produktentwurf erforderlich, um einen Kurzschlusszustand (d. h. niedrigen widerstand) während eines transienten Betriebszustands zu vermeiden. Ein solcher transienter Betriebszustand ist im Allgemeinen ein Problem beim Herauffahren, beim Herunterfahren oder während eines Fehlerzustands, wenn eine aktive Steuerschaltung zum Anlegen eines negativen Potentials an das Gate des Ruhekontaktbauelements möglicherweise nicht betriebsfähig ist.
  • 1 zeigt eine herkömmliche Kaskoden-Schaltungsanordnung mit 3 Anschlüssen, wobei ein Arbeitskontakt-Silizium-MOSFET in Reihe mit einem feldgesteuerten Ruhekontakt-Thyristor oder einem Ruhekontakt-JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor) geschaltet ist, der aus einem Verbundhalbleiter gebildet werden würde. Die Drain-, Source- und Gate-Anschlüsse dieser Bauelemente sind mit d, s bzw. g gekennzeichnet. Das Gate des JFET ist direkt mit dem Source-Anschluss des Silizium-MOSFET gekoppelt, wodurch eine Schaltung mit drei Anschlüssen gebildet wird, wobei die Reihenschaltung des Arbeitskontakt-MOSFET und des Ruhekontakt-JFET eine Arbeitskontakt-Schaltung bildet.
  • Die Kaskodenschaltung von 1 wird mit einem Hochspannungs-Ruhekontaktbauelement 101 wie etwa einem JFET gebildet, dessen Stromweg mit dem Stromweg eines Arbeitskontakt-MOSFET 102, wie etwa eines Silizium-MOSFET, in Reihe geschaltet ist. Dadurch wird mit den geschalteten Anschlüssen 103 und 105 eine Schaltung mit drei Anschlüssen gebildet. Der Gate-Anschluss 104 des Silizium-MOSFET ist der dritte Anschluss der Schaltung und wirkt als Steueranschluss für die Reihenschaltung der beiden die Kaskodenschaltung bildenden Bauelemente.
  • Die Verwendung nur eines Ruhekontakt-Hochspannungsbauelements kann dessen ungeachtet im Vergleich zu der Kaskodenschaltungsanordnung wie der in 1 dargestellten bestimmte Vorteile bieten, indem höhere Schaltfrequenzen und eine Verringerung der Gesamtschaltungsleistungsverluste ermöglicht werden.
  • Obwohl ein Ruhekontakt-Verbundhalbleiterbauelement wie etwa ein JFET in Hochleistungs- bzw. Hochfrequenzanwendungen wesentliche Vorteile bieten kann, sollten somit bestimmte Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um während transienter Betriebszustände einen Kurzschluss zu vermeiden. Besondere Vorsichtsmaßnahmen sollten auch im Fall eines Schaltungsausfalls getroffen werden, der die Funktionsfähigkeit des Bauelements beeinträchtigen könnte, wobei die Erzeugung einer Steuerspannung zum Sperren seiner Ruhekontakt-Leitungsbetriebsart beeinträchtigt werden würde.
  • Bei verschiedenen Ausführungsformen löst die vorliegende Erfindung das Problem der Bereitstellung niedriger Verluste bei hohen Schaltfrequenzen unter Erhaltung der Möglichkeit, einen Kurzschluss während eines transienten Betriebszustands zu vermeiden, durch Verwendung eines Ruhekontakt-Halbleiterbauelements bei einer Ausführungsform, wobei die feste Verbindung in einer Kaskodenschaltung des Gate eines JFET mit dem Source-Anschluss eines reihengeschalteten Silizium-MOSFET geöffnet wird. Das Gate eines Verarmungs-JFEET wird nun mit einem Treiber gekoppelt, um ein Hochfrequenzsignal zum direkten Schalten der Kaskodenanordnung des JFET und des in Reihe geschalteten Anreicherungs-MOSFET anzunehmen. Ein zweiter Treiber sperrt die JFET-Leitfähigkeit beim Herauffahren, im Fall eines Schal tungsausfalls oder aufgrund eines Betriebsfehlers. Das Hochfrequenzsignal schaltet nur den JFET, während das Schalten des Anreicherungs-MOSFET beibehalten wird, um während eines transienten Betriebszustands separat Schaltungsschutz bereitzustellen. Der Anreicherungs-MOSFET wird gewöhnlich während des Hochfrequenzschaltens des JFET in einem leitenden Zustand gehalten.
  • Nunmehr mit Bezug auf 2 ist ein Schaltbild einer Kaskodenschaltungsanorndung mit einem Ruhekontakt-JFET 101 mit einem Stromweg, der mit einem Stromweg eines Arbeitskontakt-MOSFET 102 in Reihe geschaltet ist, gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die Drain-, Source- und Gate-Anschlüsse dieser Bauelemente werden wieder mit d, s bzw. g gekennzeichnet. Das Gate des MOSFETs 102 ist mit dem Treiber 210 gekoppelt, um eine Arbeitskontakt-Reihenanordnung des JFET und des MOSFET während eines transienten Betriebszustands bereitzustellen. Zum Beispiel kann der Treiber 210 beim Herauffahren ohne vorliegende Vorspannungen leicht dafür ausgelegt werden, dem Gate des MOSFET 102 null Volt zuzuführen. Dementsprechend kann somit der MOSFET 102 leicht dafür ausgelegt werden, zwischen Source und Drain während eines solchen Herauffahr- oder anderen transienten Betriebszustands einen Leerlauf zu zeigen. Nachdem Vorspannungen durch die Schaltung hergestellt worden sind und sich die Schaltlogik in einem normalen Betriebszustand befindet, würde der Treiber 210 dafür ausgelegt, die Leitung des MOSFET 102 als Reaktion auf ein Signal an seinem Eingangsanschluss 208 freizugeben. Das Hinzufügen eines MOSFET, der ein Niederspannungsbauelement sein kann, dessen Stromweg mit dem Stromweg des JFET in Reihe geschaltet ist, fügt aufgrund der niedrigen Nennspannung eines MOSFET, die verwendet werden kann, nur relativ wenig Reihenwiderstand zu der Schaltung hinzu. Der Widerstand eines MOSFET variiert ungefähr wie der Kehrwert der 2,5-ten Potenz seiner Nennsperrspannung. Ein MOSFET mit niedriger Nennspannung kann somit im Allgemeinen einen niedrigen Einschaltwiderstand aufwei sen.
  • Der Treiber 212 führt dem Gate des JFET 101 ein Signal zu, um den JFET 101 vorteilhafterweise mit geringen Verlusten und hoher Schaltfrequenz zu schalten. Dementsprechend ist der Treiber 212 dafür ausgelegt, während eines normalen Betriebszustands der Schaltung dem Gate des JFET 101 eine negative Spannung zuzuführen, um Leitung darin zu sperren. Da der MOSFET 102 während des Hochfrequenz-Schaltens des JFET 101 in einem voll leitenden Zustand gehalten wird, werden die verlustarmen Hochfrequenzschalteigenschaften des JFET erhalten. Vorzugsweise würde der Treiber 212 dafür ausgelegt, das Gate des JFET 101 mit einer Ansteuerspannung relativ zu dem Source-Anschluss des MOSFET 102, d. h. relativ zu der lokalen Schaltungsmasse 105, anzusteuern. Folglich wird die Hochspannungs-Sperrfähigkeit des JFET 101 durch die Kaskodenschaltung beibehalten, wenn die Leitung des MOSFETs 102 gesperrt wird, z. B. beim Herauffahren, wenn die Gatespannung des MOSFETs 102 mit Bezug auf seinen Source-Anschluss null ist.
  • Als Zusammenfassung des Betriebs der Schaltung betragen während des Herauffahr-, Herunterfahr- oder Fehlerzustands beide Treiberausgangssignale null Volt mit Bezug auf die lokale Masse. Die an dem Drain-Anschluss des MOSFETs 102 entwickelte kleine positive Spannung sperrt die Leitfähigkeit des JFETs 101, wodurch der JFET 101 als das Hauptschaltungselement freigegeben wird, das die Leitfähigkeit der Kaskodenschaltung blockiert. Während des normalen Hochfrequenz-Schaltbetriebs wird die Leitung des MOSFET 102 durch eine an sein Gate angelegte positive Spannung freigegeben. Die Hochfrequenz-Schaltwirkung der Schaltung wird durch eine an das Gate des JFETs 101 angelegte alternierende Null- und Negativ-Gateansteuerspannung produziert.
  • Ein Vorteil des Auslegens der Kaskodenschaltung mit unabhängiger Steuerung des Gates des JFET und des Gates des MOSFET erhält die verlustarmen Hochfrequenz-Schalteigenschaften des Verarmungs-JFET und garantiert gleichzeitig sicheren Betrieb während eines transienten Betriebszustands durch den Reihenstromweg durch den Silizium-MOSFET des Anreicherungstyps. Zusätzlich kann die unabhängige Steuerung des Gates des MOSFETs verwendet werden, um die Leitfähigkeit der Schaltung während eines Fehlerzustands zu sperren.
  • Nunmehr mit Bezug auf 3 ist ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführungsform einer Stromstrecke 300 eines Stromumrichters dargestellt, der die Anwendung der hier eingeführten Prinzipien veranschaulicht. Der Stromumrichter enthält eine Steuerung 320, der eine Stromumrichter-Ausgangskenngröße, wie etwa eine Ausgangsspannung, regelt. Die Steuerung 320 enthält ihrerseits Treiber wie zum Beispiel die mit Bezug auf 2 dargestellten und beschriebenen. Der Stromumrichter versorgt ein System bzw. eine Last (nicht gezeigt), das bzw. die mit den Ausgangsanschlüssen 330 und 331 gekoppelt ist, mit Strom. Obwohl bei der dargestellten Ausführungsform die Stromstrecke eine Abwärtsumrichtertopologie verwendet, sollte für Fachleute klar sein, dass auch andere Umrichtertopologien sehr wohl in dem allgemeinen Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegen.
  • Die Stromstrecke des Stromumrichters erhält eine Eingangsspannung Vin von einer Quelle elektrischen Stroms (repräsentiert durch die Batterie 310) an einem Eingang davon und liefert an den Ausgangsanschlüssen 330 und 331 eine geregelte Ausgangsspannung Vout oder eine andere Ausgangskenngröße. Die Eingangsspannung Vin kann hoch genug sein, um eine Bevorzugung der Verwendung eines Verbundhalbleiterbauelements zur Bereitstellung geringer Schaltverluste, d. h. des Leistungsschalters QJFET, zu erzeugen. Das Verbundhalbleiterbauelement QJFET würde im Allgemeinen eine Ruhekontakt-Schaltkurve aufweisen. Gemäß den Prinzipien einer Abwärtsumrichtertopologie ist die Ausgangsspannung Vout im Allgemeinen kleiner als die Eingangsspannung Vin, so dass ein Schaltbetrieb des Stromumrichters die Ausgangsspannung Vout regeln kann.
  • Während eines ersten Teils D des Hochfrequenz-Schaltzyklus wird die Leitung des Leistungsschalters QJFET als Reaktion auf ein Gate-Ansteuersignal SD für ein Primärintervall freigegeben, wodurch die Eingangsspannung Vin mit einer Ausgangsfilterinduktivität Lout gekoppelt wird. Während des ersten Teils D des Schaltzyklus nimmt ein durch die Ausgangsfilterinduktivität Lout fließender Induktivitätsstrom ILout zu, während Strom von dem Eingang zu dem Ausgang der Stromstrecke fließt. Eine Wechselstromkomponente des Induktivitätsstroms ILout wird durch den Ausgangskondensator Cout gefiltert.
  • Während eines zweiten Teils 1-D des Schaltzyklus wird der Leistungsschalter QJFET in einen nichtleitenden Zustand überführt und die Leitung eines mit der Ausgangsfilterinduktivität Lout gekoppelten Hilfsleistungsschalters Qaux (z. B. eines n-Kanal-MOSFETs) als Reaktion auf ein Gate-Ansteuersignal S1-D freigegeben. Der Hilfsleistungsschalter Qaux stellt einen Weg bereit, um die Kontinuität des durch die Ausgangsfilterinduktivität Lout fließenden Induktivitätsstroms ILout aufrechtzuerhalten. Während des zweiten Teils 1-D des Schaltzyklus nimmt der durch die Ausgangsfilterinduktivität Lout fließende Induktivitätsstrom ILout ab. Im Allgemeinen kann das Tastverhältnis des Leistungsschalters QJFET und des Hilfsleistungsschalters Qaux eingestellt werden, um die Ausgangsspannung Vout des Stromumrichters zu regeln. Für Fachleute ist jedoch erkennbar, dass die Leitungsperioden für die beiden Leistungsschalter durch ein kleines Zeitintervall getrennt werden können, um Leitung dazwischen zu vermeiden und um vorteilhafterweise die mit dem Stromumrichter assoziierten Schaltverluste zu verringern. Darüber hinaus kann der Hilfsleistungsschalter Qaux auch als ein Verbundhalbleiterbauelement realisiert werden, wobei der Stromweg eines Anreicherungsbauelements damit in Reihe geschaltet wird, um Stromrückfluss von einem Ausgangsanschluss durch die Ausgangsfilterinduktivität Lout während eines transienten Betriebszustands zu verhindern. Natürlich würde ein durch eine Diode, die eine Body-Diode sein könnte, bereitgestellter Stromweg in der Schaltung vorgesehen, um Kontinuität des durch die Ausgangsfilterinduktivität Lout fließenden Stroms sicherzustellen, wenn die Leitung aller aktiven Leistungsschalter gesperrt werden kann.
  • Die Steuerung 320 des Stromumrichters erhält die Ausgangsspannung Vout des Stromumrichters und eine gewünschte Ausgangskenngröße, wie etwa eine gewünschte Systemspannung Vsystem.
  • Bei einem Schaltumrichter, wie zum Beispiel dem mit Bezug auf 3 dargestellten und beschriebenen Abwärtsstromumrichter, bestimmt das Tastverhältnis D des Leistungsschalters QJFET das stationäre Verhältnis der Stromumrichterausgangsspannung Vout zu seiner Eingangsspannung Vin. Insbesondere bestimmt bei einer in einem kontinuierlichen Leitungsmodus arbeitenden Abwärtsstromumrichtertopologie das Tastverhältnis das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung (unter Vernachlässigung bestimmter Verluste in dem Stromumrichter) gemäß der Gleichung D = Vout/Vin.
  • Bei einer alternativen Stromumrichtertopologie, wie etwa einer Aufwärtstopologie, kann das Tastverhältnis das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung gemäß einer anderen Gleichung bestimmen.
  • Da der Leistungsschalter QJFET ein Halbleiterbauelement des Verarmungstyps ist, wird der MOSFET QFET mit dem Leistungsschalter QJFET in Reihe geschaltet, um während eines transienten Betriebszustands wie zum Beispiel zuvor oben beschrieben, sicheren Betrieb zu gewährleis ten. Zum Beispiel führt die Steuerung 320 während des Herauffahr- oder während eines anderen transienten Betriebszustands dem Gate des MOSFET QFET auf der Steuerleitung SFET ein Ansteuersignal mit null Volt zu, so dass die Leitfähigkeit des Reihenschaltungsweges, der die Eingangsspannungsquelle 310 enthält, gesperrt werden kann. Während des normalen Schaltungsbetriebs wird die Leitung des MOSFET QFET durch die Steuerung 320 kontinuierlich freigegeben, um durch das Verbundhalbleiterbauelement QJFET bereitgestellte Hochfrequenz-Schalteigenschaften zu erhalten.
  • Während eines Fehlerzustands, wie zum Beispiel eines zu großen Stromwerts, der durch den mit dem Ausgangsknoten 330 in Reihe geschalteten Stromsensor 340 detektiert wird, sperrt die Steuerung 320 die Leitfähigkeit des MOSFET QFET, indem sie ein entsprechendes Signal auf die Steuerleitung SFET koppelt, um null Volt an das Gate des MOSFET mit Bezug auf seinen Source-Anschluss anzulegen.
  • Es wurde somit das Konzept des unabhängigen Steuern der Gates einer Kaskodeanordnung von Halbleiterbauelementen, wovon eines ein Anreicherungsbauelement und das andere ein Verarmungsbauelement ist, eingeführt. Bei einer Ausführungsform wird mit dem Halbleiterbauelement des Verarmungstyps und dem Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps ein Schaltsystem gebildet. Das Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps weist einen Stromweg auf, der mit einem Stromweg des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps in Reihe geschaltet ist. Eine Steuerung besitzt einen mit einem Steuereingang des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps gekoppelten ersten Ausgang und einen mit einem Steuereingang des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps gekoppelten zweiten Ausgang. Die Steuerung bewirkt ein andauerndes Leiten des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps und ein Leiten des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps in Abständen, um dadurch in Abständen eine Leitfähigkeit des Schaltsystems zu steuern.
  • Bei einer Ausführungsform bewirkt die Steuerung ein Leiten des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps in Abständen, um eine Ausgangskenngröße eines Stromumrichters zu regeln und sperrt die Leitung des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps während eines transienten Betriebszustands des Schaltsystems. Ein transienter Betriebszustand umfasst ohne Einschränkung einen Herauffahr-, einen Herunterfahr- oder einen Fehlerzustand des Schaltsystems und ein Fehlerzustand umfasst ohne Einschränkung einen Überstromzustand des Systems.
  • Bei einer Ausführungsform ist das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps ein Verbundhalbleiterbauelement, vorzugsweise ein JFET. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps mit einer internen Durchbruchfeldstärke von mindestens 106 Volt pro cm gebildet. Bei einer Ausführungsform wird die Leitung des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps beim Anlegen einer negativen Spannung an einen Steueranschluss davon mit Bezug auf seinen Source-Anschluss gesperrt. Bei einer Ausführungsform ist das Anreicherungsbauelement ein MOSEFT.
  • Eine andere beispielhafte Ausführungsform stellt ein Verfahren zur Steuerung der Leitfähigkeit eines Schaltsystems bereit. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Halbleiterbauelements des Verarmungstyps mit einem Stromweg, der mit einem Stromweg eines Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps in Reihe geschaltet ist. Das Verfahren umfasst das Freigeben der Leitung des Stromwegs des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps und das Schalten der Leitfähigkeit des Stromwegs des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps in Abständen. Das Verfahren umfasst ferner das Sperren der Leitung des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps während eines transienten Betriebszustands des Schaltsystems. Ein transienter Betriebszustand umfasst ohne Einschränkung einen Herauffahr-, einen Herunterfahr- oder einen Fehlerzustand des Schaltsystems und ein Fehlerzustand umfasst ohne Einschränkung einen Überstromzustand des Systems. Bei einer Ausführungsform bewirkt die Steuerung, dass das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps in Abständen leitet, um eine Ausgangskenngröße eines Stromumrichters zu regeln. Die Steuerung sperrt die Leitung des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps während eines transienten Betriebszustands des Schaltsystems.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps mit einem Verbundhalbleiter. Bei einer Ausführungsform umfasst der Verbundhalbleiter ein Siliziumcarbidbauelement. Bei einer Ausführungsform ist das Verarmungsbauelement ein JFET. Bei einer Ausführungsform wird das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps mit einer internen Durchbruchfeldstärke von mindestens 106 Volt pro cm gebildet. Bei einer Ausführungsform ist das Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps ein Metalloxid-Siliziumfeldeffekttransistor. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Sperren der Leitfähigkeit des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps bei Anlegung von negativer Spannung an einen Steueranschluss davon mit Bezug auf seinen Source-Anschluss.
  • Obwohl ein Schaltsystem, das mit Halbleiterbauelementen des Verarmungstyps und Anreicherungstyps mit separat gesteuerten Gates und diesbezügliche Verfahren zur Anwendung auf die Stromumrichtung beschrieben wurden, versteht sich, dass andere Anwendungen eines Schaltsystems, wie zum Beispiel Stromumrichtung, in dem allgemeinen Schutzumfang der Erfindung in Betracht gezogen werden und nicht auf Stromumrichtanordnungen beschränkt sein müssen.
  • Obwohl die Erfindung hauptsächlich in Verbindung mit spezifischen beispielhaften Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist für Fachleute erkennbar, dass diverse Änderungen der Konfiguration und Einzelheiten dieser vorgenommen werden können, ohne von dem Wesentlichen und dem Schutzumfang der durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Erfindung abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung wird deshalb durch die angefügten Ansprüche bestimmt, und es ist beabsichtigt, dass alle Abwandlungen, die in dem Bereich und in der Bedeutung und in dem Äquivalenzbereich der Ansprüche liegen, von den Ansprüchen abgedeckt werden.

Claims (22)

  1. Schaltsystem, umfassend: ein Halbleiterbauelement des Verarmungstyps; ein Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps, wobei das Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps einen Stromweg aufweist, der mit einem Stromweg des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps in Reihe geschaltet ist; und eine Steuerung mit einem an einen Steuereingang des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps gekoppelten ersten Ausgang und einem mit einem Steuereingang des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps gekoppelten zweiten Ausgang, wobei die Steuerung bewirkt, dass das Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps dauernd leitet und das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps in Abständen leitet, um in Abständen eine Leitfähigkeit des Schaltsystems zu steuern.
  2. Schaltsystem nach Anspruch 1, wobei die Leitung des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps während eines transienten Betriebszustands des Schaltsystems gesperrt wird.
  3. Schaltsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der transiente Betriebszustand einen Herauffahr-, einen Herunterfahr- oder einen Fehlerzustand des Schaltsystems umfasst.
  4. Schaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fehlerzustand einen Überstromzustand des Schaltsystems umfasst.
  5. Schaltsystem nach Anspruch 1, wobei die Leitung des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps beim Anle gen einer negativen Spannung an einen Steueranschluss davon mit Bezug auf seinen Source-Anschluss gesperrt wird.
  6. Schaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps ein Verbundhalbleiterbauelement umfasst.
  7. Schaltsystem nach Anspruch 6, wobei das Verbundhalbleiterbauelement ein Siliziumcarbidbauelement umfasst.
  8. Schaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps einen Metalloxid-Siliziumfeldeffekttransistor umfasst.
  9. Schaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps mit einer interen Durchbruchfeldstärke von mindestens 106 Volt pro Zentimeter gebildet wird.
  10. Schaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung bewirkt, dass das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps in Abständen leitet, um eine Ausgangskenngröße eines Stromumrichters zu regeln.
  11. Schaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung die Leitung des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps während eines transienten Betriebszustands des Schaltsystems sperrt.
  12. Verfahren zum Steuern einer Leitfähigkeit eines Schaltsystems, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Halbleiterbauelements des Verarmungstyps mit einem Stromweg, der mit einem Stromweg eines Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps in Reihe geschaltet ist; Freigeben der Leitung des Stromwegs des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps; und Schalten der Leitfähigkeit des Stromwegs des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps in Abständen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt des Sperrens der Leitung des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps während eines transienten Betriebszustands des Schaltsystems.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der transiente Betriebszustand einen Herauffahr-, einen Herunterfahr- oder einen Fehlerzustand des Schaltsystems umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Fehlerzustand einen Überstromzustand des Schaltsystems umfasst.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Leitung des Halbleiterbauelements des Verarmungstyps beim Anlegen einer negativen Spannung an einen Steueranschluss davon mit Bezug auf seinen Source-Anschluss gesperrt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps ein Verbundhalbleiterbauelement umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Verbundhalbleiterbauelement ein Siliziumcarbidbauelement umfasst.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das Halbleiterbauelement des Anreicherungstyps einen Metalloxid-Siliziumfeldeffekttransistor umfasst.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps mit ei ner internen Durchbruchfeldstärke von mindestens 106 Volt pro Zentimeter gebildet wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei die Steuerung bewirkt, dass das Halbleiterbauelement des Verarmungstyps in Abständen leitet, um eine Ausgangskenngröße eines Stromumrichters zu regeln.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei die Steuerung die Leitung des Halbleiterbauelements des Anreicherungstyps während eines transienten Betriebszustands des Schaltsystems sperrt.
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