DE102016109235B4 - Elektrische baugruppe, die eine rückwärts leitende schaltvorrichtung und eine gleichrichtende vorrichtung enthält - Google Patents

Elektrische baugruppe, die eine rückwärts leitende schaltvorrichtung und eine gleichrichtende vorrichtung enthält Download PDF

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Abstract

Elektrische Baugruppe (500), umfassend:
eine rückwärts leitende Schaltvorrichtung (510), die Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung umfasst, wobei die Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung dafür eingerichtet sind, unter Sperrspannung in einem Entsättigungsmodus eingeschaltet und in einem Sättigungsmodus ausgeschaltet zu werden; und
eine gleichrichtende Vorrichtung (560), die antiparallel mit der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei in einem Bereich eines Diodendurchlassstroms von einem halben maximalen Nenn-Diodenstrom (IF) der Schaltvorrichtung (510) bis zu dem maximalen Nenn-Diodenstrom (IF) eine I/V-Kennlinie (415) einer Diode der gleichrichtenden Vorrichtung (560) einen Spannungsabfall über die gleichrichtende Vorrichtung (560) höher als eine I/V-Kennlinie (411) einer Sättigung der Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung und niedriger als eine I/V-Kennlinie (412) einer Entsättigung der Schaltvorrichtung (510) mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung zeigt.

Description

  • HINTERGRUND
  • Rückwärts leitende Schaltvorrichtungen wie etwa IGFETs (Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate) und RC-IGBTs (rückwärts leitende Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) enthalten eine integrierte Bodydiode, welche unter Rückwärts- bzw. Sperrspannung der Schaltvorrichtung in Durchlassrichtung gepolt ist. Ein pn-Übergang der in Durchlassrichtung gepolten Bodydiode injiziert Ladungsträger von beiden Leitfähigkeitstypen, die den Halbleiterbereich der Schaltvorrichtung fluten und ein dichtes Ladungsträgerplasma aufbauen, das einen niedrigen elektrischen Widerstand der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung zur Folge hat.
  • Wenn sich die Vorspannung von rückwärts bzw. Sperrrichtung nach vorwärts bzw. Durchlassrichtung ändert, sperrt die Bodydiode, und ein Umkehr- bzw. Sperrerholungsstrom schwächt das Ladungsträgerplasma ab. Der Sperrerholungsstrom trägt zu dynamischen Schaltverlusten der Schaltvorrichtung bei. In einer Entsättigungsperiode, die einer Kommutierung nach einer Änderung von Sperrspannung zu Durchlassspannung vorausgeht, schalten einige Transistorzellen ein, so dass eine Injektion von Ladungsträgern entlang dem pn-Übergang der Bodydiode reduziert wird und das Ladungsträgerplasma sich vor einer Kommutierung abschwächt. Eine Sicherheitsperiode zwischen dem Ende der Entsättigungsperiode und dem Beginn einer Kommutierung ermöglicht der Schaltvorrichtung, ihre Sperrfähigkeit mit geschlossenen Gate-gesteuerten Kanälen vor einer Kommutierung rechtzeitig wiederherzustellen. Während der Sicherheitsperiode kann sich das Ladungsträgerplasma teilweise erholen, so dass die Sicherheitsperiode bis zu einem gewissen Grad den Effekt der Entsättigungsperiode unterläuft.
  • Die DE 10 2014 118 208 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit Desaturierungszellen, mittels derer während einer Desaturierungsperiode das Ladungsträgerplasma reduziert wird, indem während der Desaturierung Ladungsträger über gesteuerte MOS-Kanäle zu Rekombinationsgebieten geleitet werden, an denen die Ladungsträger mit hoher Geschwindigkeit rekombinieren. Die US 5 696 396 A beschreibt einen hochohmigen Anschluss des Bodygebiets eines MOSFETs an die Sourceelektrode, wodurch die Bodydiode im Rückwärtsbetrieb des Bauteils kaum zum Stromfluss durch das Bauteil beiträgt. Die US 2015/0 214 856 A1 beschreibt einen DC/AC-Konverter mit IGBTs und mit zu den IGBTs parallel geschalteten Freilaufdioden. Die US 6 049 108 A beschreibt einen MOSFET mit Trenchgates und integrierten pn- und Schottky-Dioden. Dabei pinnen die pn_Dioden den Avalanche-Durchbruch im Vorwärtsbetrieb während die Schottky-Dioden im Rückwärtsbetrieb die Anreicherung mit Ladungsträgern reduzieren und so die Verluste beim Wechsel in den Vorwärtsbetrieb reduzieren. Die US 2014/0 125 293 A1 beschreibt einen AC/DC-Inverter mit Kondensatoren zur Stabilisierung der Gleichspannung sowie einen Schaltkreis zur sicheren Entladung der Stabilisierungskondensatoren. Die WO 2015/079 762 A1 beschreibt einen High-Side Schalter bzw. Low-Side-Schalter, der seinerseits aus zwei in Serie geschalteten Transistoren besteht, von denen der eine ein Transistor mit hoher Durchbruchspannung und der andere ein Transistor mit niedriger Durchbruchspannung ist. Parallel zur Serienschaltung aus den beiden Transistoren liegt eine Freilaufdiode.
  • Es ist wünschenswert, die Schaltcharakteristiken von rückwärts leitenden Schaltvorrichtungen in elektronischen Schaltungen zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird mit einem Gegenstand der unabhängigen Ansprühe gelöst. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf weitere Ausführungsformen.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält eine elektrische Baugruppe eine rückwärts leitende Schaltvorrichtung, die Transistorzellen für eine Entsättigung enthält. Die Transistorzellen für eine Entsättigung sind dafür eingerichtet, unter Sperrspannung in einem Entsättigungsmodus eingeschaltet und in einem Sättigungsmodus ausgeschaltet zu werden. Eine gleichrichtende Vorrichtung ist antiparallel mit der Schaltvorrichtung elektrisch verbunden. In einem Bereich von einem halben Nenn-Diodenstrom der Schaltvorrichtung bis zu mindestens dem maximalen Nenn-Diodenstrom der Schaltvorrichtung zeigt eine I/V-Kennlinie einer Diode der gleichrichtenden Vorrichtung einen Spannungsabfall über die gleichrichtende Vorrichtung höher als eine I/V-Kennlinie einer Sättigung der Schaltvorrichtung mit den ausgeschalteten Transistorzellen für eine Entsättigung und niedriger als eine I/V-Kennlinie einer Entsättigung der Schaltvorrichtung mit den eingeschalteten Transistorzellen für eine Entsättigung.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine elektrische Baugruppe eine rückwärts leitende Schaltvorrichtung und eine gleichrichtende Vorrichtung, die mit der Schaltvorrichtung antiparallel elektrisch verbunden ist. Die Schaltvorrichtung enthält Transistorzellen für eine Entsättigung. Die Transistorzellen für eine Entsättigung sind dafür eingerichtet, unter Sperrspannung in einem Entsättigungsmodus eingeschaltet und in einem Sättigungsmodus ausgeschaltet zu werden. Unterhalb einer Schwellenspannung einer Sperrspannung über die elektrische Baugruppe ist ein Diodendurchlassstrom der gleichrichtenden Vorrichtung höher als ein Rückwärts- bzw. Sperrstrom durch die Schaltvorrichtung. Für eine Sperrspannung oberhalb der Schwellenspannung ist der Diodendurchlassstrom durch die gleichrichtende Vorrichtung niedriger als der Sperrstrom durch die Schaltvorrichtung mit den ausgeschalteten Transistorzellen für eine Entsättigung.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Vorteile und Merkmale nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • Figurenliste
  • Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
    • 1A ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Baugruppe, die eine rückwärts leitende Schaltvorrichtung und eine gleichrichtende Vorrichtung enthält, gemäß einer Ausführungsform.
    • 1B ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Baugruppe, die eine rückwärts leitende Schaltvorrichtung und eine gleichrichtende Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält.
    • 1C ist ein schematisches Diagramm, das die I/V-Charakteristiken bzw. -Kennlinien der rückwärts leitenden Schaltvorrichtung und der gleichrichtenden Vorrichtung der elektrischen Baugruppen der 1A und 1B gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
    • 2A ist ein schematisches Diagramm, das die Ladungsträgerverteilung in einem Entsättigungsbereich und in einem Injektionsbereich eines RC-IGBT am Ende einer Entsättigungsperiode zeigt, um die Effekte der Ausführungsformen zu diskutieren.
    • 2B ist ein schematisches Diagramm, das die Ladungsträgerverteilung in den Entsättigungs- und Injektionsbereichen des RC-IGBT von 2A nach einer Sicherheitsperiode zeigt, um Effekte der Ausführungsformen zu diskutieren.
    • 2C ist ein schematisches Diagramm, das die Ladungsträgerverteilung in den Entsättigungs- und Injektionsbereichen des RC-IGBT von 2A bei einer Kommutierung zeigt, um Effekte der Ausführungsformen zu diskutieren.
    • 2D ist ein schematisches Diagramm, das eine Änderung einer Gesamtladung in dem RC-IGBT der 2A bis 2C während und nach einer Entsättigung zum Diskutieren von Effekten der Ausführungsformen zeigt.
    • 2E ist ein schematisches Diagramm, das Beiträge zur Gesamtladung in dem RC-IGBT der 2A bis 2D veranschaulicht.
    • 3A ist ein schematisches Diagramm, das die I/V-Kennlinien einer Schaltvorrichtung und einer gleichrichtenden Vorrichtung einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform mit der I/V-Kennlinie einer Diode der in Durchlassrichtung gepolten gleichrichtenden Vorrichtung zwischen einer I/V-Kennlinie einer Sättigung und den I/V-Kennlinien einer Entsättigung der Schaltvorrichtung unter Sperrspannung zeigt.
    • 3B ist ein schematisches Diagramm, das I/V-Kennlinien einer gleichrichtenden Vorrichtung und einer Schaltvorrichtung einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform zeigt, wobei die I/V-Kennlinie einer Diode der in Durchlassrichtung gepolten gleichrichtenden Vorrichtung die I/V-Kennlinie einer Entsättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung schneidet.
    • 3C ist ein schematisches Diagramm, das I/V-Kennlinien einer Schaltvorrichtung und einer gleichrichtenden Vorrichtung einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform zeigt, wobei die I/V-Kennlinie einer Entsättigung der Schaltvorrichtung unter Sperrspannung einen signifikanten Snap-back bzw. Rücksprung zeigt.
    • 4A ist ein schematisches Diagramm, das die I/V-Kennlinien einer Schaltvorrichtung und einer gleichrichtenden Vorrichtung einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform zeigt, wobei die I/V-Kennlinie einer Diode der gleichrichtenden Vorrichtung eine Einschalt- bzw. Cut-in-Spannung zeigt.
    • 4B ist ein schematisches Diagramm, das die I/V-Kennlinien einer Schaltvorrichtung und einer gleichrichtenden Vorrichtung einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform zeigt, wobei die I/V-Kennlinie einer Diode der gleichrichtenden Vorrichtung die I/V-Kennlinie einer Entsättigung der Schaltvorrichtung schneidet.
    • 5A ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen RC-IGBT und eine Entsättigungsdiode enthält, die einen Schottky-Kontakt, einen ohmschen Kontakt oder einen Gate-gesteuerten Kanal umfasst.
    • 5B ist schematisches Schaltbild einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen IGFET und eine Entsättigungsdiode enthält, die einen Schottky-Kontakt, einen ohmschen Kontakt oder einen Gate-gesteuerten Kanal umfasst.
    • 6 ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die eine Steuerschaltung enthält.
    • 7A umfasst eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Entsättigungsdiode auf der Basis einer SiC-MPS-(Merged-PiN-Schottky-)Diode gemäß einer Ausführungsform und ein schematisches Diagramm, das die I/V-Kennlinie der Entsättigungsdiode unter Durchlassspannung veranschaulicht.
    • 7B umfasst eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer Entsättigungsdiode auf der Basis einer MGD- (MOS-Gate-gesteuerte Diode) gemäß einer Ausführungsform und ein schematisches Diagramm, das die I/V-Kennlinie der Entsättigungsdiode unter Durchlassspannung veranschaulicht.
    • 7C umfasst eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Entsättigungsdiode auf der Basis einer TOPS-(Trench- bzw. Graben-Oxid-PiN-Schottky-)Diode gemäß einer Ausführungsform und ein schematisches Diagramm, das die I/V-Kennlinie der Entsättigungsdiode unter Durchlassspannung veranschaulicht.
    • 7D umfasst eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Entsättigungsdiode auf der Basis einer IDEE-(inverse injection dependency of emitter efficiency)Diode gemäß einer Ausführungsform und ein schematisches Diagramm, das die I/V-Kennlinie der Entsättigungsdiode unter Durchlassspannung veranschaulicht.
    • 8 ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen Silizium-RC-IGBT, eine SiC-Entsättigungsdiode und eine SiC-Klemmdiode umfasst.
    • 9A ist eine schematische Draufsicht einer direkt kupfergebondeten Platine mit einer elektrischen Baugruppe gemäß einer Ausführungsform, die einen Silizium-RC-IGBT, eine SiC-Entsättigungsdiode und eine SiC-Klemmdiode umfasst.
    • 9B ist eine schematische Draufsicht einer direkt kupfergebondeten Platine mit einer elektrischen Baugruppe gemäß einer anderen Ausführungsform mit einer Leiterbahn, die zwischen einem Silizium-RC-IGBT und einer SiC-Entsättigungsdiode eine Schleife bildet.
    • 10 ist ein schematisches Diagramm einer Halbbrückenschaltung, die SiC-Entsättigungsdioden parallel zu Silizium-RC-IGBTs gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält.
    • 11 ist ein schematisches Diagramm eines Smart-IGBT-Moduls, das SiC-Entsättigungsdioden parallel zu Silizium-RC-IGBTs gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für eine Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um zu noch einer weiteren Ausführungsform zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Umfang der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Der Klarheit halber sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff „elektrisch verbunden“ beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen, oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff „elektrisch gekoppelt“ umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung gestaltet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Elemente, die zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorsehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von „-“ oder „+“ neben dem Dotierungstyp „n“ oder „p“. Beispielsweise bedeutet „n-“ eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines „n“-Dotierungsgebiets ist, während ein „n+“-Dotierungsgebiet eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein „n“-Dotierungsgebiet. Dotierungsgebiete der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene „n“-Dotierungsgebiete die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • 1A bis 1B beziehen sich auf eine elektrische Baugruppe 500, die einen High-Side-Schalter oder einen Low-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung bilden oder ein Teil davon sein kann, wobei die Halbbrückenschaltung Teil einer H-Brücke, eines Motor-Controllers oder eines geschalteten Leistungswandlers, z.B. eines DC/DC-Leistungswandlers, eines DC/AC-Leistungswandlers, eines AC/AC-Leistungswandlers oder eines AC/DC-Wandlers, sein kann. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die elektrische Baugruppe 500 ein mehrstufiger Inverter, zum Beispiel ein mehrstufiger NPC-(an Nullleiter geklemmter) Inverter oder ein PFC-(Leistungsfaktorkorrektur-)Wandler sein.
  • 1A zeigt die elektrische Baugruppe 500, die eine rückwärts leitende Schaltvorrichtung 510 enthält, die eine integrierte Bodydiode 519 enthält. Ein Lastpfad der Schaltvorrichtung 510 ist zwischen einen ersten und einen zweiten Lastanschluss L1, L2 der elektrischen Baugruppe 500 elektrisch verbunden.
  • Einer der ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2, zum Beispiel der erste Lastanschluss L1, liegt an der Netz- bzw. Versorgungsseite und kann mit einer Stromversorgung elektrisch gekoppelt sein. Der andere der ersten und zweiten Lastanschlüsse L1, L2, zum Beispiel der zweite Lastanschluss L2, liegt an der Lastseite und kann mit einer Last elektrisch gekoppelt sein, der die Stromversorgung über die elektrische Baugruppe 500 einen Laststrom bereitstellt.
  • Die Schaltvorrichtung 510 enthält Transistorzellen und kann ein IGFET sein, zum Beispiel ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) in der gewöhnlichen Bedeutung, einschließlich IGFETs mit Metall-Gates und/oder mit Gates, die ein Halbleitermaterial wie etwa hochdotiertes polykristallines Silizium enthalten. Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung 510 ein RC-IGBT. Ein über einen Steueranschluss CTR der elektrischen Baugruppe 500 bereitgestelltes Steuersignal schaltet die Schaltvorrichtung 510 ein und aus.
  • Eine gleichrichtende Vorrichtung 560 ist mit den ersten und zweiten Lastanschlüssen L1, L2 elektrisch verbunden. Die gleichrichtende Vorrichtung 560 ist bezüglich der Schaltvorrichtung 510 antiparallel und parallel mit der Bodydiode 519 der Schaltvorrichtung 510 verbunden. Die gleichrichtende Vorrichtung 560 kann beispielsweise eine Freilaufdiode sein.
  • Unter Durchlassspannung fällt eine positive Spannung zwischen den ersten und zweiten Lastanschlüssen L1, L2 der elektrischen Baugruppe 500 derart ab, dass die gleichrichtende Vorrichtung 560 in Sperrrichtung gepolt ist und sperrt, wohingegen die Schaltvorrichtung 510 in Durchlassrichtung gepolt ist und einen Laststrom zwischen dem ersten Lastanschluss L1 und dem zweiten Lastanschluss L2 der elektrischen Baugruppe 500 als Antwort auf das an den Steueranschluss CTR angelegte Steuersignal schaltet. Da abgesehen von einem vernachlässigbaren Leckstrom kein weiterer Strom durch die gleichrichtende Vorrichtung 560 fließt, trägt nur die Schaltvorrichtung 510 zu statischen elektrischen Verlusten in der in Durchlassrichtung gepolten elektrischen Baugruppe 500 bei.
  • Die gleichrichtende Vorrichtung 560 und die Schaltvorrichtung 510 sind getrennte Halbleitervorrichtungen in verschiedenen Gehäusen und durch Leiterbahnen und/oder Drahtverbindungen elektrisch verbunden. Physikalische Verbindungen zwischen einem Kathodenanschluss K der gleichrichtenden Vorrichtung 560 und einem Kollektoranschluss C der Schaltvorrichtung 510 und/oder zwischen einem Anodenanschluss A der gleichrichtenden Vorrichtung 560 und einem Emitteranschluss E der Schaltvorrichtung 510 können eine intrinsische, nicht vernachlässigbare effektive Induktivität größer als 0,1 nH aufweisen.
  • 1B zeigt ein separates bzw. diskretes induktives Element 517, das zwischen Anschlüsse der Schaltvorrichtung 510 und der gleichrichtenden Vorrichtung 560, dem zweiten Lastanschluss L2 zugeordnet, elektrisch verbunden ist. Die effektive Induktivität kann zumindest 0,1 nH, beispielsweise mindestens 1 nH oder mindestens 10 nH, betragen.
  • Wenn von einem Niveau eines Aus- bzw. Sperrzustands aus beginnend das an den Steueranschluss CTR angelegte Steuersignal über eine Einschalt-Schwellenspannung ansteigt oder darunter fällt, schaltet die Schaltvorrichtung 510 ein, wobei durch einen Feldeffekt die Transistorzellen TC Gate-gesteuerte Kanäle bilden, die einen niederohmigen Pfad zwischen dem ersten und dem zweiten Lastanschluss L1, L2 für einen Laststrom schaffen, der durch die Schaltvorrichtung 510 und die Last fließt. Die Schaltvorrichtung 510 schaltet aus, wenn das Steuersignal zum Niveau eines Aus-Zustands zurückkehrt.
  • Unter Sperrspannung der elektrischen Baugruppe 500 ist die Schaltvorrichtung 510 in Sperrrichtung gepolt. Die Bodydiode 519 der Schaltvorrichtung 510 ist in Durchlassrichtung gepolt und leitet einen Rückwärts- bzw. Sperrstrom IFRC der Schaltvorrichtung 510. Ein Datenblatt einer rückwärts leitenden Schaltvorrichtung definiert typischerweise einen nominalen Diodendurchlassstrom IF als den maximalen Nenn-Diodenstrom für den Sperrstrom IFRC, bis zu welchem ein Betrieb der Schaltvorrichtung 510 sicher ist. Wenn alle Transistorzellen der Schaltvorrichtung 510 ausgeschaltet sind, ist der Sperrstrom IFRC ein bipolarer Strom und entspricht dem Diodendurchlassstrom der Bodydiode 519. Der bipolare Strom erzeugt ein dichtes Ladungsträgerplasma in einem Halbleiterbereich der Schaltvorrichtung 510. Je dichter das Ladungsträgerplasma ist, desto niedriger ist ein ohmscher Rücklaufwiderstand Rrev der Schaltvorrichtung 510 unter Sperrspannung.
  • 1C zeigt eine I/V-Kennlinie 411 einer Sättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510, wobei die I/V-Kennlinie 411 einer Sättigung sich aus dem bipolaren Strom ergibt, falls alle Transistorzellen einschließlich der Transistorzellen für eine Entsättigung ausgeschaltet sind. Die I/V-Kennlinie 411 einer Sättigung ist die I/V-Kennlinie der gesättigten Bodydiode 519.
  • Wenn in dem in Sperrrichtung gepolten Zustand der Schaltvorrichtung 510 ein Steuersignal, das an den Steueranschluss CTR oder an einen Hilfsanschluss angelegt wird, der genutzt wird, um ausschließlich die Transistorzellen für eine Entsättigung zu steuern, die Transistorzellen für eine Entsättigung einschaltet, beginnen die Gate-gesteuerten Kanäle der Transistorzellen für eine Entsättigung damit, zumindest einen Teil des Sperrstroms IR durch die elektrische Baugruppe 500 zu führen. Die Transistorzellen für eine Entsättigung können einige oder alle der Transistorzellen sein, die den Laststrom durch die Schaltvorrichtung 510 unter Durchlassspannung steuern, oder können zusätzliche Transistorzellen sein, die unter Durchlassspannung nicht geschaltet werden.
  • Die Gate-gesteuerten Kanäle der Transistorzellen für eine Entsättigung können den Spannungsabfall über alle oder einige der pn-Übergänge der Bodydiode 519 auf unter das eingebaute Potential reduzieren, so dass die betreffenden pn-Übergänge ein Injizieren von Ladungsträgern stoppen. Anstelle eines vollständig bipolaren Stroms ersetzt zumindest in Bereichen der Halbleiterbereiche ein unipolarer Strom den bipolaren Strom in dem Ein-Zustand der Transistorzellen für eine Entsättigung. Da die Injektion von Ladungsträgern entlang zumindest einigen der pn-Übergänge der Bodydiode 519 unterdrückt wird, fällt die Dichte des Ladungsträgerplasmas, und der elektrische Widerstand nimmt zu.
  • Der verbleibende Strom definiert eine I/V-Kennlinie 412 einer Entsättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510, wie in 1C veranschaulicht ist. Da das Ladungsträgerplasma bezüglich des gesättigten Zustands weniger dicht ist, ist die I/V-Kennlinie 412 einer Entsättigung für den gleichen Sperrstrom IFRC durch die Schaltvorrichtung 510 zu höheren Werten der Sperrspannung VR verschoben. Der ohmsche Rücklaufwiderstand Rrev ist signifikant größer als für den ausschließlich bipolaren Strom und hat einen höheren Spannungsabfall über die Schaltvorrichtung 510 für den gleichen Sperrstrom IFRC durch die Schaltvorrichtung 510 und einen kleineren Sperrstrom IFRC bei der gleichen Sperrspannung VR zur Folge.
  • Ferner ist unter Sperrspannung der elektrischen Baugruppe 500 die gleichrichtende Vorrichtung 560 in Durchlassrichtung gepolt, und ein Teil des gesamten Sperrstroms IR fließt als Diodendurchlassstrom IFD durch die gleichrichtende Vorrichtung 560. Eine I/V-Kennlinie 415 einer Diode der gleichrichtenden Vorrichtung 560 ist in 1C schematisch veranschaulicht. Die I/V-Kennlinie 415 einer Diode ist eine Funktion von Typ, Layout, Abmessungen sowie Dotierstoffgradienten und Dotierstoffkonzentrationen in der gleichrichtenden Vorrichtung 560 und kann auf die Anwendung zugeschnitten werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind Typ, Layout, Abmessungen, Dotierstoffgradienten und Dotierstoffkonzentrationen der gleichrichtenden Vorrichtung 560 so definiert, dass für die Diodendurchlassströme IFD der gleichrichtenden Vorrichtung 560 bis zu zumindest dem nominalen Diodendurchlassstrom der Schaltvorrichtung 510, z.B. bis zu mindestens dem Zweifachen oder bis zum Vierfachen, die I/V-Kennlinie 415 einer Diode auf der linken Seite der I/V-Kennlinie einer Entsättigung der Schaltvorrichtung 510 liegt. Mit anderen Worten führt zumindest innerhalb des nominalen Betriebsbereichs die gleichrichtende Vorrichtung 560 den größeren Teil des gesamten Sperrstroms IR durch die elektrische Baugruppe 500 während einer Entsättigung, und der Diodendurchlassstrom IFD durch die gleichrichtende Vorrichtung 560 ist größer als der Sperrstrom IFRC durch die in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510.
  • In dem in Sperrrichtung gepolten Modus sind typischerweise alle der Transistorzellen der Schaltvorrichtung 510 aus, so dass der ausschließlich bipolare Sperrstrom IFRC eine hohe Dichte des Ladungsträgerplasmas und einen niedrigen ohmschen Widerstand der Schaltvorrichtung 510 sicherstellt. Da das Ladungsträgerplasma mit hoher Dichte die Schaltverluste erhöht, werden herkömmliche, entsättigbare, rückwärts leitende Schaltvorrichtungen 510, z.B. RCDC-(rückwärts leitende Diodensteuerungs-)IGBTs, vor einer Kommutierung entsättigt durch Einschalten der Transistorzellen für eine Entsättigung in einer Entsättigungsperiode, die der Kommutierung vorausgeht, die dem Übergang von Sperrspannung zu Durchlassspannung folgt.
  • Die betreffenden Transistorzellen für eine Entsättigung schalten typischerweise wieder rechtzeitig vor einer Kommutierung aus, so dass die Schaltvorrichtung 510 zu der Zeit, zu der eine Kommutierung beginnt, sicher sperrt und kritische Schaltungszustände vermieden werden können, zum Beispiel ein Kurzschlusszustand, wobei sowohl der High-Side- als auch der Low-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung eingeschaltet sind. Während einer Entsättigung fließt ein unipolarer Strom durch die Transistorzellen für eine Entsättigung, und ein bipolarer Strom kann in Gebieten ohne eingeschaltete Transistorzellen fließen, um einen Sperrstrom fließen zu lassen. Als Konsequenz sind Ladungsträger auch in dem Halbleiterbereich während einer Entsättigung vorhanden. In einer Sicherheitsperiode zwischen dem Ende einer Entsättigung und Beginn einer Kommutierung löst ein bipolarer Strom wieder den unipolaren Stromfluss durch die Transistorzellen für eine Entsättigung ab, welche wieder eingeschaltet werden, wobei die im Halbleiterbereich schon vorhandenen Ladungsträger einen Einfluss auf das Startniveau des Anstiegs der Ladungsträgerdichte haben.
  • Bei der I/V-Kennlinie 415 einer Diode von 1C fließt während der Entsättigungsperiode ein Großteil des Sperrstroms IR durch die elektrische Baugruppe 500 als Diodendurchlassstrom IFD durch die gleichrichtende Vorrichtung 560, und nur wenige Ladungsträger fließen durch die Schaltvorrichtung 510, so dass das Startniveau des Anstiegs der Dichte des Ladungsträgerplasmas im Halbleiterbereich niedrig ist.
  • Da die Schaltvorrichtung 510 nahezu vollständig ausgeschaltet ist, wird eine höhere Spannung benötigt, um die Schaltvorrichtung 510 einzuschalten. Dies in Kombination mit einer zwischen der Schaltvorrichtung 510 und der gleichrichtenden Vorrichtung 560 wirksamen Induktivität behindert eine schnelle Übernahme des Sperrstroms IR von der gleichrichtenden Vorrichtung 560 zur Schaltvorrichtung 510. Eine Ladungsträgerdichte in der Schaltvorrichtung 510 bleibt in der Sicherheitsperiode niedrig, die einer Entsättigung folgt, so dass die elektrische Baugruppe 500 eine hohe Entsättigungseffizienz mit einer hohen Sicherheit gegen kritische Schaltungszustände in der Anwendung kombinieren kann.
  • Alternativ dazu oder zusätzlich werden Material, Abmessungen, Layout, Dotierstoffkonzentrationen und Dotierstoffgradienten der gleichrichtenden Vorrichtung 560 so abgestimmt, dass innerhalb des nominalen Betriebsbereichs die I/V-Kennlinie 415 einer Diode die I/V-Kennlinie 411 einer Sättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 schneidet.
  • Unter Niederstrombedingungen mit nur einem geringen Sperrstrom IR durch die elektrische Baugruppe 500 übernimmt die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen Großteil des gesamten Sperrstroms IR bei einer niedrigeren Sperrspannung VR als für einen typischen pn-Übergang, so dass zum Beispiel ein Leistungsverbrauch für Bedingungen eines offenen Schaltkreises und eine Effizienz der Leistungswandlung unter Bedingungen mit geringer Last signifikant verbessert werden können.
  • Alternativ dazu oder zusätzlich ist die Schaltvorrichtung 510 durch einen signifikanten Snap-back in einem Bereich eines Sperrstroms IFRC gekennzeichnet, der niedriger als ein Snap-back-Strom ISB ist, wobei bis zum Snap-back-Strom ISB die I/V-Kennlinie 415 der Diode auf der linken Seite der I/V-Kennlinie 412 einer Entsättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 liegt, so dass bis zum Snap-back-Strom ISB die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen größeren Teil des gesamten Sperrstroms IR durch die elektrische Baugruppe 500 führt.
  • Da die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen Großteil des Stroms übernimmt, falls die für eine Entsättigung genutzten Transistorzellen TC eingeschaltet sind, wird ein Snap-back-Verhalten der Schaltvorrichtung 510 gedämpft oder kommt nicht zum Tragen. Die Schaltvorrichtung 510 kann dafür ausgelegt sein, einen signifikanten Snap-back zu berücksichtigen, da die gleichrichtende Vorrichtung 560 den Effekt des Snap-back auf die Anwendung signifikant dämpft oder unterdrückt. Falls die Schaltvorrichtung 510 ein RC-IGBT ist, können zum Beispiel p- und n-dotierte Gebiete an der Kollektorseite für einen niederohmigen Rücklaufwiderstand Rrev und einen niedrigen Einschaltwiderstand Ron optimiert werden und/oder spezifische Transistorzellen, die für ein Dämpfen des Snap-back-Effekts ausgelegt sind, können weggelassen werden.
  • Alternativ dazu oder zusätzlich kann die I/V-Kennlinie 415 einer Diode derart ausgelegt sein, dass der Spannungsabfall über die in Durchlassrichtung gepolte Diode immer geringer als eine maximale Snap-back-Spannung VSB oder Snap-back-Haltespannung VH der Schaltvorrichtung 510 für einen Diodendurchlassstrom IFD durch die in Durchlassrichtung gepolte gleichrichtende Vorrichtung 560 bis zu zumindest dem nominalen Diodendurchlassstrom IF, z.B. bis zum Doppelten oder bis zum Vierfachen des nominalen Diodendurchlassstroms IF, sein, um einen etwaigen Snap-back der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 zu vermeiden.
  • 2A bis 2E veranschaulichen den Effekt einer Entsättigungsperiode auf die Ladung in einem Halbleiterbereich 100 eines RC-IGBT 511.
  • Ein Entsättigungsbereich 611 des Halbleiterbereichs 100 enthält erste Gate-gesteuerte Kanäle TC1, z.B. Transistorzellen für eine Entsättigung, die während einer Entsättigungsperiode einschalten. Die ersten Gate-gesteuerten Kanäle TC1 können zweckbestimmte Entsättigungszellen sein, die nur während einer Entsättigung einschalten, oder können einige der Transistorzellen umfassen, die zum Steuern eines Laststroms unter Durchlassspannung verwendet werden. Ein Injektionsbereich 612 kann ausschließlich zweite Gate-gesteuerte Kanäle TC2 enthalten, z.B. Transistorzellen, die während einer Entsättigung nicht einschalten und die den durch die Schaltvorrichtung 510 fließenden Sperrstrom halten. Die zweiten Gate-gesteuerten Kanäle TC2 können Transistorzellen sein, die zum Steuern eines Laststroms unter Durchlassspannung verwendet werden.
  • 2A zeigt die Ladungsträgerverteilung in dem Entsättigungsbereich 611 und in dem Injektionsbereich 612 des RC-IGBT 511 am Ende einer Entsättigungsperiode bei t=t1. Eine Ladungsträgerdichte ist in Abschnitten des Entsättigungsbereichs 611 nahe den gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 des Halbleiterbereichs 100 niedrig, da im Ein-Zustand der ersten Gate-gesteuerten Kanäle TC1 kein bipolarer Strom in dem Entsättigungsbereich 611 fließt, wohingegen eine Ladungsträgerdichte im Injektionsbereich 612 hoch bleibt.
  • Bei einem nominalen Ende t=t2 einer Sicherheitsperiode, welche kürzer als die Entsättigungsperiode ist, hat sich eine Ladungsträgerdichte im Entsättigungsbereich 611 wie in 2B gezeigt signifikant erholt. Nach einer Entsättigung werden die hocheffektiven Anodengebiete der ersten Gate-gesteuerten Kanäle TC1, die für eine Entsättigung genutzt werden, unverzüglich reaktiviert und beginnen unverzüglich damit, das Ladungsträgerplasma hoher Dichte wiederherzustellen. Die Sicherheitsperiode unterläuft den Effekt einer Entsättigung in einem nicht vernachlässigbaren Maße.
  • 2C zeigt die Ladungsträgerverteilung nach einem tatsächlichen Beginn einer Kommutierung. Die hohe Sperrerholungsladung hat einen vergleichsweise hohen Kommutierungsstrom zur Folge, welcher die Quelle hoher Schaltverluste ist.
  • 2D zeigt die Gesamtladung im Halbleiterbereich 100 während und nach einer Entsättigung. Bei t=t0 beginnt eine Entsättigung, und eine Ladungsträgerdichte im Halbleiterbereich 100 fällt ab. Am Ende der Entsättigungsperiode bei t=t1, was der Beginn der Sicherheitsperiode ist, beträgt die Gesamtladung des entsättigten RC-IGBT 511 etwa 50 % der Ladung des gesättigten RC-IGBT 511 zu Beginn der Entsättigungsperiode. Bis zum nominalen Ende einer Sicherheitsperiode bei t=t2 nimmt die Gesamtladung wieder auf etwa 60 % des gesättigten RC-IGBT 511 zu. Bei t=t3 kann die Gesamtladung sogar höher als beim nominalen Ende der Entsättigungsperiode sein.
  • 2E zeigt die Ladung Qdes im Entsättigungsbereich 611 des RC-IGBT 511, Qinj zeigt die Ladung im Injektionsbereich 612 und Qtot zeigt die Gesamtladung im Halbleiterbereich 100 zu verschiedenen Zeitpunkten.
  • Bei t=t12 kurz nach dem Ende der Entsättigungsperiode unterdrückten die vorher eingeschalteten ersten Gate-gesteuerten Kanäle TC1 in dem Entsättigungsbereich 611 eine Injektion im Entsättigungsbereich 611, und ein Ladungsträgerplasma mit einer geringen Menge an Ladungen Qdes wurde im Entsättigungsbereich 611 aufgebaut. Der Beitrag der Ladung Qinj im Injektionsbereich 612 ist vergleichsweise hoch. Auch nach der Sicherheitsperiode bei t=t13 fließt der Sperrstrom weiterhin hauptsächlich in dem Injektionsbereich 612. Folglich nimmt die Plasmadichte im Entsättigungsbereich 611 nur langsam zu, bis der Strom seine Richtung während einer Kommutierung bei t=t3 ändert.
  • In der elektrischen Baugruppe 500 von 1A, welche eine Schaltvorrichtung 510 und eine gleichrichtende Vorrichtung 560 mit I/V-Kennlinien wie in 1B definiert enthält, kann die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen großen Teil des verbleibenden Sperrstroms IR während einer Entsättigung führen.
  • Falls die Schaltvorrichtung 510 einen Injektionsbereich 612 enthält, führt der Injektionsbereich 612 nur einen geringen Teil des ersten Stroms IR. Ein erneuter Aufbau des Ladungsträgerplasmas nach dem Ende der Sättigung beginnt von einem niedrigeren Niveau aus und kann durch eine Streuinduktivität und/oder zusätzliche getrennte induktive Elemente in den Verbindungsleitungen zur Schaltvorrichtung 510 behindert werden. Ferner kann die Schaltvorrichtung 510 mit nur einem kleinen oder ohne Injektionsbereich 612 ausgelegt sein, so dass eine Entsättigung im gesamten Halbleiterbereich 100 effektiv ist. Beispielsweise können alle Transistorzellen, die zum Steuern eines Laststroms unter Durchlassspannung genutzt werden, während einer Entsättigung adressiert werden.
  • 3A bezieht sich auf eine Ausführungsform der elektrischen Baugruppe 500 gemäß 1A. Eine I/V-Kennlinie 415 einer Diode der gleichrichtenden Vorrichtung 560 liegt zwischen der I/V-Kennlinie 411 einer Sättigung und der I/V-Kennlinie 412 einer Entsättigung der Schaltvorrichtung 510 zumindest für einen Bereich eines Sperrstroms IFRC der Schaltvorrichtung 510 von IF/2 bis zu mindestens IF, z.B. bis zu 2*IF oder bis zu 4*IF, wobei IF der maximale Nennwert für den Diodendurchlassstrom der integrierten Bodydiode 519 bei einer vordefinierten Falltemperatur ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Durchlassstrom IFD der gleichrichtenden Vorrichtung 560 größer als für die in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510 während einer Entsättigung für den kompletten nominalen Betriebsbereich der Schaltvorrichtung 510, so dass nur wenige Ladungsträger in den Halbleiterbereich des RC-IGBT 511 während einer Entsättigung injiziert werden und eine Entsättigungseffizienz hoch ist. Zur gleichen Zeit ist der Durchlassstrom IFD der gleichrichtenden Vorrichtung 560 niedriger als für die gesättigte, in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510 für einen Bereich von IFRC von mindestens 0,1*IF bis IF, z.B. von 0,3*IF bis zu mindestens 2*IF oder bis zu 4*IF, um das Ladungsträgerplasma hoher Dichte des gesättigten RC-IGBT 511 für den statischen RC-Modus auszunutzen.
  • Gemäß einer Ausführungsform besteht die gleichrichtende Vorrichtung 560 aus einem Material mit breiter Bandlücke. Beispielsweise ist die gleichrichtende Vorrichtung 560 eine SiC-(Siliziumcarbid-)Diode, die einen unipolaren Bereich mit einem unipolaren Schottky-Kontakt, einem ohmschen Kontakt oder einem Gate-gesteuerten Kanal enthält und die einen bipolaren Bereich enthält, wobei ein erster Abschnitt der I/V-Kennlinie 415 der Diode im nominalen Betriebsbereich hauptsächlich durch den unipolaren Bereich definiert ist und ein zweiter Abschnitt der I/V-Kennlinie 415 der Diode hauptsächlich durch den bipolaren Bereich definiert ist.
  • Bei einer Dicke eines Halbleiterbereichs des RC-IGBT von 600 µm oder weniger kann die gleichrichtende Vorrichtung 560 auf Siliziumcarbid mit einer effektiven Zone von weniger als 600 µm gestützt werden, wobei eine Dicke einer gering dotierten Driftzone der gleichrichtenden Vorrichtung 560 in einem Bereich von 4 µm bis 60 µm liegen kann.
  • Indem man die gleichrichtende Vorrichtung 560 so ausgelegt, dass sie eine I/V-Kennlinie 415 einer Diode zwischen den I/V-Kennlinien 411, 412 für Sättigung und Entsättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 zeigt, ist ein Sperrstrom IFRC in der Schaltvorrichtung 510 während einer Entsättigung nur ein kleiner Teil des gesamten Sperrstroms IR, und nur wenige Ladungsträger sind am Ende der Entsättigungsperiode in der Schaltvorrichtung 510 vorhanden.
  • Eine Entsättigungseffizienz wird signifikant verbessert verglichen mit elektrischen Baugruppen mit gleichrichtenden Vorrichtungen 560, die eine I/V-Kennlinie aufweisen, die die I/V-Kennlinie 412 für eine Entsättigung der Schaltvorrichtung 510 innerhalb des nominalen Betriebsbereichs schneidet, da ein erneuter Aufbau des Ladungsträgerplasmas von einem signifikant niedrigeren Niveau aus beginnt. Die effizientere Entsättigung kann entweder zur Folge haben, dass eine Sicherheitsperiode zwischen einem Ende einer Entsättigung und einem Beginn einer Kommutierung vergrößert wird und/oder dass Schaltverluste reduziert werden.
  • In 3B schneidet die I/V-Kennlinie 415 der Diode der gleichrichtenden Vorrichtung 560 der elektrischen Baugruppe 500 von 1A die I/V-Kennlinie 411 einer Entsättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 bei einer Schwellenspannung VX2.
  • Unterhalb der Schwellenspannung VX2 ist der Durchlassstrom IFD durch die gleichrichtende Vorrichtung 560 größer als der Sperrstrom IFRC durch die gesättigte, in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510. Für Sperrspannungen VR, die größer als die Schwellenspannung VX2 sind, ist der Durchlassstrom IFD durch die gleichrichtende Vorrichtung 560 geringer als der Sperrstrom IFRC der gesättigten, in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510. Beispielsweise ist eine Einsetz- bzw. Set-in-Spannung VSD der gleichrichtenden Vorrichtung 560 niedriger als eine Set-in-Spannung VSRC der Bodydiode 519, z.B. kann die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen Schottky-Kontakt mit einer Set-in-Spannung VSD enthalten, die niedriger als die Set-in-Spannung VSRC eines Silizium-pn-Übergangs der Bodydiode 519 der Schaltvorrichtung 510 ist. Die elektrische Baugruppe 500 erlaubt einen Rückwärts- bzw. Sperrstromfluss bei niedriger Sperrspannung VR. Verglichen mit anderen elektronischen Baugruppen, die gleichrichtende Elemente mit einer Set-in-Spannung VSD gleich oder größer als die Set-in-Spannung VSRC der Bodydiode 519 enthalten, werden ohmsche Verluste, die während eines Betriebs mit niedrigem Strom, z.B. bei Zuständen mit offenem Schaltkreis eines Schaltnetzteils oder in einem Bereitschaftsmodus einer elektrischen Anwendung, signifikant reduziert.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen ohmschen Kontakt, einen Gate-gesteuerten Kanal oder einen Schottky-Kontakt mit einer Set-in-Spannung VSD von höchstens 0,6 V, zum Beispiel einen Schottky-Kontakt mit Molybdän/Siliziumcarbid-Barriere.
  • Für ein Erhöhen eines Sperrstroms steigt der Spannungsabfall über die elektrische Baugruppe 500 über die Set-in-Spannung VSRC der Bodydiode 519, so dass die Bodydiode 519 der Schaltvorrichtung 510 einen zunehmenden Teil des gesamten Sperrstroms IR übernimmt. An einem Schnittpunkt der I/V-Kennlinie 411 einer Sättigung der gesättigten, in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 und der I/V-Kennlinie 415 einer Diode der in Durchlassrichtung gepolten gleichrichtenden Vorrichtung 560 wird der Sperrstrom IR zwischen dem Sperrstrom IFRC durch die gesättigte, in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510 und dem Durchlassstrom IFD durch die gleichrichtende Vorrichtung 560 gleichmäßig geteilt.
  • In 3C zeigt die I/V-Kennlinie einer Entsättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 einen signifikanten Snap-back mit einer maximalen Snap-back-Spannung VSB und einer Snap-back-Haltespannung VH, welche die minimale Spannung über die in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510 ist, wenn der Sperrstrom IFRC nach dem Snap-back weiter ansteigt. Der Sperrstrom IFRC bei der Haltespannung VH definiert einen Haltestrom IH. Die gleichrichtende Vorrichtung 560 kann so ausgelegt sein, dass in einem Bereich des Diodendurchlassstroms IFD von 0 bis zum Haltestrom IH der Diodendurchlassstrom IFD durch die gleichrichtende Vorrichtung 560 signifikant größer, zum Beispiel mindestens zweimal oder mindestens zehnmal größer, als der Sperrstrom IFRC der entsättigten, in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 ist.
  • Der Haltestrom IH ist bei der Haltespannung VH definiert, welche der minimale Spannungsabfall über die in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510 nach einem Snap-back ist. Wenn die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen Großteil des Stroms für einen Strombereich übernimmt, in welchem die entsättigte, in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510 den Snap-back zeigt, ist die Wirkung des Snap-back auf die Anwendung gering. Sind typischerweise RC-IGBTs dafür ausgelegt, einen Snap-back-Effekt auf Kosten anderer Vorrichtungsparameter wie etwa beispielsweise Einschaltwiderstand, thermischer Widerstand der Bodydiode, Unempfindlichkeit gegen Lawinen und/oder geringe Sperrerholungsladung zu minimieren, können Auslegungsbeschränkungen, die auf ein Unterdrücken eines Snap-back-Verhaltens abzielen, vernachlässigt werden, so dass mehr Raum für einen verbesserten Kompromiss was die anderen Beschränkungen anbetrifft besteht. Beispielsweise können alle Transistorzellen für eine Entsättigung verwendet werden, und die Schaltvorrichtung 510 kann nur einen Typ von Transistorzellen enthalten, welche auf die gleiche Weise gesteuert werden können.
  • Außerdem wird die gleichrichtende Vorrichtung 560 so ausgelegt, dass zumindest für einen Sperrstrom IFRC bis zum nominalen Diodendurchlassstrom IF der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510, z.B. bis zum Zweifachen oder bis zum Vierfachen des nominalen Diodendurchlassstroms IF, der Diodendurchlassstrom IFD durch die in Durchlassrichtung gepolte gleichrichtende Vorrichtung 560 höher ist als der Haltestrom IH. Als eine Konsequenz ist der RC-IGBT vor einem Snap-back sicher, währenddessen der RC-IGBT in einen bipolaren Modus wechselt. Der bipolare Modus würde Stromfilamente hervorrufen. Aufgrund der positiven Temperatur können effiziente Stromfilamente lokal erhöhte Stromdichten zur Folge haben, welche das Gitter des Halbleitermaterials irreversibel schädigen können.
  • Da die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen Durchlassstrom nur während der Entsättigungsperiode leitet, welche eine Teilperiode der Aus-Zeit der elektrischen Baugruppe 500 ist, oder falls der Sperrstrom IR gering ist, ist der gesamte Leistungsverbrauch in der gleichrichtenden Vorrichtung 560 gering, und die aktive Zone der gleichrichtenden Vorrichtung 560 kann klein sein. Kleine, kostengünstige SiC-Dioden können genutzt werden, um die Effizienz kostengünstiger Silizium-RC-IGBTs signifikant zu verbessern.
  • 4A bezieht sich auf eine Ausführungsform der elektrischen Baugruppe 500 von 1A mit einer gleichrichtenden Vorrichtung 560 mit einem unipolaren Bereich, der die I/V-Kennlinie 415 einer Diode unter einer Abschalt- bzw. Cut-off-Spannung VX1 und unter einem Cut-off-Diodendurchlassstrom IX1 dominiert. Oberhalb der Cut-off-Spannung VX1 und des Cut-off-Diodendurchlassstroms IX1 wird der bipolare Bereich dominanter und löst die I/V-Kennlinie des unipolaren Bereichs ab oder überlagert diese. Für Sperrspannungen VR, die größer als VX1 sind, ist die Steigung der I/V-Kennlinie der Diode signifikant steiler als für Sperrspannungen VR unterhalb der Cut-off-Spannung VX1. Die Cut-off-Spannung VX1 ist höher als ein Spannungsabfall VX1@sat über die Schaltvorrichtung im gesättigten Modus mit den ausgeschalteten Transistorzellen für eine Entsättigung und geringer als ein Spannungsabfall VX1@des über die entsättigende Schaltvorrichtung 510, wobei die Transistorzellen für eine Entsättigung bei IFRC gleich IFD jeweils eingeschaltet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden Typ, Layout, Abmessungen, Dotierstoffkonzentration und Dotierstoffgradienten in der gleichrichtenden Vorrichtung 510 so ausgewählt, dass der Cut-off-Strom IX1 zwischen 0,1*IF und IF, z.B. zwischen 0,1*IF und 2*IF, liegt und bei dem Cut-off-Strom IX1 die Spannungen über die gesättigte und entsättigte, in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510 eine Distanz von mindestens 200 mV, 500 mV, 1 V oder 2 V zur Cut-off-Spannung VX1 halten, so dass die I/V-Kennlinie 415 einer Diode alle Bedingungen, wie für 3A bis 3C skizziert wurde, zusammen erfüllen kann. Der unipolare Bereich kann einen Schottky-Kontakt, einen ohmschen Kontakt, einen Gate-gesteuerten Kanal oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
  • In 4B weist die I/V-Kennlinie 415a einer Diode bei 25°C eine Cut-off-Spannung VXa bei 25°C nahe dem Spannungsabfall über die in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung mit den eingeschalteten Transistorzellen TC für eine Entsättigung auf, so dass die I/V-Kennlinie 415a einer Diode bei 25°C die I/V-Kennlinie 412 einer Entsättigung der Schaltvorrichtung bei einem Sperrstrom durch die Schaltvorrichtung unterhalb des nominalen Diodendurchlassstroms IF, z.B. unterhalb des Zweifachen oder unterhalb des Vierfachen des nominalen Diodendurchlassstroms IF, schneidet. Sowohl die in Sperrrichtung gepolte Schaltvorrichtung 510 als auch die in Durchlassrichtung gepolte gleichrichtende Vorrichtung 560 können dazu beitragen, einen hohen Impulsstrom oder einen Überlastzustand der Anwendung zu übertragen. Ein ohmscher Widerstand ist minimiert, so dass die elektrische Baugruppe 500 eine hohe Robustheit gegen Überlastzustände zeigt. Gemäß einer Ausführungsform ist die gleichrichtende Vorrichtung 560 eine SiC-Diode und umfasst einen unipolaren Bereich und einen bipolaren Bereich. Auf Siliziumcarbid basierende gleichrichtende Vorrichtungen zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit.
  • Zusätzlich zu der I/V-Kennlinie 415a einer Diode für eine Falltemperatur von z.B. 25°C zeigt 4B eine I/V-Kennlinie 415b einer Diode für eine Falltemperatur von z.B. 175°C. Gemäß einer Ausführungsform kann die Cut-off-Spannung VX1 mit zunehmender Temperatur abnehmen, so dass die I/V-Kennlinie 415b einer Diode die I/V-Kennlinie 412 einer Entsättigung der in Sperrrichtung gepolten Schaltvorrichtung 510 schneidet, bevor die Temperatur der gleichrichtenden Vorrichtung 560 eine kritische Temperatur übersteigt. In diesem Fall übernimmt die Schaltvorrichtung 510 einen Teil des Stroms durch die gleichrichtende Vorrichtung 560, so dass die gleichrichtende Vorrichtung 560 sich nicht weiter aufheizt. Als Konsequenz kann die gleichrichtende Vorrichtung 560, zum Beispiel eine SiC-Entsättigungsdiode, mit nur einer geringen Sicherheitstoleranz vorgesehen sein, so dass eine kostengünstige SiC-Diode mit kleiner aktiver Zone verwendet werden kann. Ungeachtet dessen, dass ein Überstromzustand solch eine Diode schnell aufheizt, ist die SiC-Diode davor sicher, zerstört zu werden, da die elektrische Baugruppe 500 in einen Sicherheitsmodus fällt, der daraus resultiert, dass die Schaltvorrichtung 510, welche typischerweise mit großen Sicherheitstoleranzen definiert ist, einen Großteil des Stroms übernimmt.
  • Die in 5A veranschaulichte elektrische Baugruppe 500 enthält einen RC-IGBT 511, z.B. einen Si-RCDC-(Silizium-RC-IGBT mit Diodensteuerung) und eine gleichrichtende Vorrichtung 560, die antiparallel zum RC-IGBT 511 elektrisch angeordnet ist. Die gleichrichtende Vorrichtung 560 ist als Hilfsdiode wirksam, die eine Effizienz einer Entsättigung des in Sperrrichtung gepolten RC-IGBT 511 erhöht, eine Leitfähigkeit bei niedrigem Strom der in Sperrrichtung gepolten elektrischen Baugruppe 500 verbessert und/oder den Effekt eines Snap-back in dem in Sperrrichtung gepolten RC-IGBT 511 auf die Schaltungsumgebung dämpft.
  • Ein Kollektoranschluss C des RC-IGBT 511 bildet den ersten Lastanschluss L1 oder ist mit ihm elektrisch verbunden, ein Emitteranschluss E bildet den zweiten Lastanschluss L2 oder ist mit ihm elektrisch verbunden, und ein Gateanschluss G bildet den Steueranschluss CTR der elektrischen Baugruppe 500 oder ist mit ihm elektrisch gekoppelt oder verbunden. Der RC-IGBT 511 integriert eine Bodydiode 519, die mit Transistorzellen des RC-IGBT 511 räumlich zusammengelegt ist. Ein an den Gateanschluss G angelegtes Steuersignal schaltet die Transistorzellen des RC-IGBT 511 ein und aus.
  • Ein Kathodenanschluss der gleichrichtenden Vorrichtung 560 ist mit dem ersten Lastanschluss L1, mit dem Kollektoranschluss C oder mit beiden direkt elektrisch verbunden. Ein Anodenanschluss A der gleichrichtenden Vorrichtung 560 ist mit dem zweiten Lastanschluss L2, mit der Emitterelektrode E oder mit beiden direkt elektrisch verbunden. Ein Halbleiterbereich der gleichrichtenden Vorrichtung 560 kann auf Siliziumcarbid SiC basieren.
  • In 5B enthält die elektrische Baugruppe 500 einen IGFET 512 mit integrierter Bodydiode 519 und eine gleichrichtende Vorrichtung 560, wobei die gleichrichtende Vorrichtung 560 antiparallel zum IGFET 512 elektrisch angeordnet und als Hilfsdiode wie oben beschrieben effektiv ist.
  • 6 zeigt eine elektrische Baugruppe 500, die einen RC-IGBT 511, einen gleichrichtende Vorrichtung 560, die antiparallel zum RC-IBGT 511 elektrisch angeordnet ist, und eine Steuerschaltung 590 zum Steuern des RC-IGBT 511 umfasst. Die gleichrichtende Vorrichtung 560 ist eine Diode, wobei Typ, Layout, Abmessungen, Dotierstoffkonzentrationen und Dotierstoffgradienten so ausgewählt sind, dass die I/V-Kennlinie der Diode zumindest eine der Bedingungen wie oben dargelegt erfüllt.
  • Ein erster Steuerausgang OUT1 der Steuerschaltung 590 ist mit dem Steuereingang CTR der elektrischen Baugruppe 500 elektrisch verbunden. Die elektrische Baugruppe 500 kann ein Low-Side-Schalter oder ein High-Side-Schalter in einer Halbbrückenschaltung oder ein Teil davon sein. Die Steuerschaltung 590 kann einen zweiten Steuerausgang OUT2 zum Steuern einer weiteren elektronischen Baugruppe enthalten, die den komplementären Schalter in der Halbbrückenschaltung bildet oder die ein Teil dessen ist.
  • Die Steuerschaltung 590 erzeugt ein Steuersignal, z.B. ein Rechtecksignal am ersten Steuerausgang OUT1, und gibt es ab, wobei der Pegel des Steuersignals die Ein- und Aus-Perioden von Transistorzellen des RC-IGBT 511 unter Durchlass- und unter Sperrspannung steuert. Ein hoher Pegel des Steuersignals nahe VCC kann zum Beispiel den RC-IGBT 511 einschalten, und ein niedriger Pegel des Steuersignals nahe z.B. GND oder VEE kann den RC-IGBT 511 ausschalten.
  • Außerdem kann die Steuerschaltung 590 am Ende eines Sperrspannungszyklus der elektrischen Baugruppe 500 einen Entsättigungsimpuls vordefinierter Dauer erzeugen und abgeben. Der Entsättigungsimpuls wird an den Steuereingang CTR der elektrischen Baugruppe 500 zu einem vordefinierten Zeitpunkt angelegt, bevor sich eine Vorspannung über die elektrische Baugruppe 500 von einer Sperrspannung in eine Durchlassspannung ändert. Der Entsättigungsimpuls schaltet Gate-gesteuerte Kanäle für eine Entsättigung ein, z.B. Transistorzellen, die nur für eine Entsättigung vorgesehen sind, oder einige oder alle der Transistorzellen, die den Laststrom unter Durchlassspannung steuern.
  • Die Länge eines Entsättigungsimpulses kann von der Schaltfrequenz abhängen, bei welcher die Steuerschaltung 590 den RC-IGBT 511 ein- und ausschaltet. Eine Sicherheitsperiode zwischen dem Ende des Entsättigungsimpulses und dem vorhergesagten Beginn einer Kommutierung, einschließlich der Änderung von einer Sperrspannung zu einer Durchlassspannung, kann im Bereich von einigen hundert Nanosekunden bis zu einigen Mikrosekunden liegen. Die gleichrichtende Vorrichtung 560 ist eine Diode, wobei Typ, Layout, Abmessungen, Dotierstoffkonzentrationen und Dotierstoffgradienten so ausgewählt sind, dass die I/V-Kennlinie einer Diode zumindest eine der Bedingungen wie oben dargelegt erfüllt.
  • Die Steuerschaltung 590 kann weitere Eingangsanschlüsse INP enthalten, die eine höhere Steuerinstanz erlauben, z.B. eine Prozessorschaltung, um die Steuerschaltung 590 zu steuern. Ein oder mehrere Rückkopplungsanschlüsse FB können ein Signal oder Signale empfangen, die Last- und/oder Source-Bedingungen beschreiben, so dass die Steuerschaltung 590 ein Tastverhältnis und/oder eine Schaltfrequenz der elektrischen Baugruppe 500 einstellen kann, um Last- oder Source-Bedingungen zu variieren.
  • 7A bis 7D beziehen sich auf Ausführungsformen der gleichrichtenden Vorrichtung 560 von 1A, wobei die gleichrichtende Vorrichtung 560 einen unipolaren Bereich enthält, der hauptsächlich einen flachen Abschnitt der I/V-Kennlinie 415 einer Diode unterhalb oder oberhalb einer Cut-in-Spannung VX1 definiert, und einen bipolaren Bereich, der einen steilen Abschnitt der I/V-Kennlinie 415 einer Diode oberhalb oder unterhalb der Cut-in-Spannung VX1 definiert.
  • Der flache Abschnitt der I/V-Kennlinie 415 einer Diode kann durch einen unipolaren Strom, z.B. durch einen Schottky-Kontakt, einen ohmschen Kontakt oder einen Gate-gesteuerten Kanal, dominiert werden. Im steilen Abschnitt der I/V-Kennlinie 415 einer Diode kann ein bipolarer Strom durch einen pn-Übergang den unipolaren Strom ablösen oder kann ihn überlagern.
  • Halbleitende Gebiete der gleichrichtenden Vorrichtung 560 von 1A sind in einem Halbleiterbereich 100 ausgebildet, der eine Anodenstruktur 110 an einer Vorderseite entlang einer ersten Oberfläche 101 und eine Kathodenstruktur 120 an einer Rückseite entlang einer zweiten Oberfläche 102 umfasst, die zu der ersten Oberfläche 101 parallel und entgegengesetzt ist. Eine Metall-Anodenelektrode 310 ist mit hochdotierten Anodenzonen 111 der Anodenstruktur 110 an der Vorderseite elektrisch verbunden und kann damit ohmsche Kontakte bilden. Eine Metall-Kathodenelektrode 320 ist direkt mit der Kathodenstruktur 120 an der Rückseite verbunden. Die Kathodenstruktur 120 umfasst einen hochdotierten Kontaktbereich 129, der einen ohmschen Kontakt mit der Metall-Kathodenelektrode 320 bildet. Eine leicht dotierte Driftzone 121 ist zwischen dem Kontaktbereich 129 und der Anodenstruktur 110 ausgebildet, kann z.B. diese voneinander trennen, und kann pn-Übergänge pn0 mit den Anodenzonen 111 bilden. Der Halbleiterbereich 100 kann beispielsweise aus Silizium, Germanium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid oder Galliumnitrid bestehen.
  • 7A bezieht sich auf eine MPS-Diode 561, die getrennte Anodenzonen 111 enthält, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die Kathodenstruktur 120, z.B. in die Driftzone 121, erstrecken. Die Anodenzonen 111 können streifenförmig mit einer horizontalen Abmessung sein, die die zweite horizontale Abmessung orthogonal zur ersten horizontalen Abmessung signifikant übertrifft, können punktförmig sein, wobei beide horizontale Abmessungen innerhalb der gleichen Größenordnung liegen, oder können ein Gitter, z.B. ein hexagonales Gitter, bilden. Zwischen benachbarten Anodenzonen 111 grenzen Kanalbereiche 125 der Kathodenstruktur 120 direkt an die Metall-Anodenelektrode 310 und bilden Schottky-Kontakte SC mit der Metall-Anodenelektrode 310. Die Metall-Anodenelektrode 310 kann Schottky-Kontaktbereiche 311 umfassen, welche direkt angrenzen, welche Titan (Ti) enthält oder daraus besteht, und einen Hauptbereich 312, welcher Aluminium enthalten oder daraus bestehen kann. Die Schottky-Kontaktbereiche 311 grenzen direkt an die Kanalbereiche 125, und der Hauptbereich 312 bildet ohmsche Kontakte zu den Anodenzonen 111.
  • Unter einer niedrigen Durchlassspannung VR, die eine eingestellte bzw. Soll-Spannung VSD der Schottky-Kontakte SC übersteigt, übertragen die Schottky-Kontakte SC einen unipolaren Durchlassstrom IRF. Mit zunehmendem Diodendurchlassstrom IRF nimmt ein Spannungsabfall entlang den pn-Übergängen pn0 zu. Oberhalb einer Cut-in-Spannung VX1, bei welcher der Spannungsabfall entlang den pn-Übergängen pn0 die Set-in-Spannung der pn-Übergänge pn0 übersteigt, d.h. das materialspezifische eingebaute Potential der pn-Übergänge pn0, addiert sich ein bipolarer Strom durch die in Durchlassrichtung gepolten pn-Übergänge pn0 allmählich zu dem Strom durch die Schottky-Kontakte SC, so dass die I/V-Kennlinie 415 einer Diode steiler wird. Die MPS-Diode 561 kann so ausgelegt sein, dass sie zumindest zwei der mit Verweis auf 3A bis 3C beschriebenen Bedingungen zusammen erfüllt.
  • In 7B enthält eine MGD 562 Anodenzonen 111, die pn-Übergänge pn0 mit der Kathodenstruktur 120 und weitere pn-Übergänge pn1 mit Sourcezonen 112 bilden, wobei die Anodenzonen 111 die Sourcezonen 112 von der Kathodenstruktur 120 trennen. Die Sourcezonen 112 sind zwischen der ersten Oberfläche 101 und den Anodenzonen 111 ausgebildet.
  • Graben-Gatestrukturen erstrecken sich von der ersten Oberfläche 101 zu zumindest der Kathodenstruktur 120. Die Graben-Gatestrukturen umfassen eine Gateelektrode 118, welche von dem halbleitenden Material des Halbleiterbereichs 100 isoliert ist, und ein Gatedielektrikum 119, das die Gateelektrode 118 zumindest von den Anodenzonen 111 trennt.
  • Die Gateelektrode 118, die Anodenzonen 111 und Sourcezonen 112 sind durch niederohmige Verbindungen und/oder durch die Metall-Anodenelektrode 310, welche entlang der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sein kann, elektrisch verbunden.
  • Aufgrund des Widerstands der Anodenzonen 111 kann ein etwaiger Stromfluss durch die Anodenzonen 111 das Potential in den Anodenzonen 111 auf unter das Potential der Metall-Anodenelektrode 310 reduzieren, und eine positive Potentialdifferenz kann sich zwischen der Gateelektrode 118 und den Anodenzonen 111 ungeachtet dessen aufbauen, dass die Gateelektrode 118 und die Anodenzonen 111 mit der Metall-Anodenelektrode 310 direkt verbunden sind. Die Potentialdifferenz nimmt mit zunehmendem Stromfluss durch die Anodenzonen 111 zu, so dass oberhalb einer Cut-in-Spannung VX1 sich Inversionskanäle entlang dem Gatedielektrikum 119 durch die Anodenzonen 111 ausbilden.
  • Als eine Konsequenz kann die I/V-Kennlinie 415 einer Diode der MGD 562 zwischen einer eingebauten Spannung von z.B. 0,6 V und einer Cut-in-Spannung VX1 von z.B. 2 V extrem steil sein. Über die Cut-in-Spannung VX1 hinaus ist der Stromfluss nahezu unipolar, was eine flache, annähernd lineare Zunahme des Diodensperrstroms IRF zur Folge hat. Die I/V-Kennlinie 415 einer Diode der MGD 562 kann dafür ausgelegt sein, zumindest die Bedingungen für den Betriebsmodus bei niedrigem Strom wie in 3B diskutiert zu erfüllen.
  • 7C bezieht sich auf eine TOPS-Diode 563. Die Anodenstruktur 110 umfasst leitfähige Plugs bzw. Steckkontakte 117, z.B. dotierte Polysilizium-Plugs, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die Driftzone 121 erstrecken und ohmsche Kontakte mit einen Hauptbereich 312 der Metall-Anodenelektrode 310 bilden. Isolatorstrukturen 116 kleiden vertikale Seitenwände der leitfähigen Steckkontakte 117 aus. Die Anodenzonen 111 sind in der vertikalen Projektion der leitfähigen Steckkontakte 117 ausgebildet. Die Isolatorstrukturen 116 verhindern die Diffusion von Dotierstoffen des p-Typs in einer lateralen Richtung und erleichtern die Ausbildung der Anodenzonen 111 in einer Distanz zur ersten Oberfläche 101.
  • Kanalbereiche 125 der Kathodenstruktur 120 bilden Schottky-Kontakte SC mit Schottky-Kontaktbereichen 311 der Metall-Anodenelektrode 310 zwischen benachbarten leitfähigen Plugs bzw. Steckkontakten 117. Aufgrund der niedrigeren Set-in-Spannung VSD der Schottky-Kontakte SC fließt zunächst ein unipolarer Durchlassstrom unter Durchlassspannung. Mit zunehmendem Durchlassstrom nimmt ein Spannungsabfall über die pn-Übergänge pn0 zu und kann schließlich eine Ladungsträgerinjektion entlang den pn-Übergängen pn0 bei einer Cut-in-Spannung VX1 auslösen.
  • In der IDEE-Diode 564 von 7D verlaufen Kanalbereiche 125 der Kathodenstruktur 120 zwischen den Anodenzonen 111 und bilden unipolare Homoübergänge mit hochdotierten Kanalkontaktzonen 112, die ohmsche Kontakte mit der Metall-Anodenelektrode 310 bilden. Dotierstoffkonzentrationen und Abmessungen von sowohl den Anodenzonen 111 als auch den Kanalbereichen 125 können so ausgewählt werden, dass ein elektrisches Feld die Kanalbereiche 125 von mobilen Ladungsträgern unter Sperrspannung vollständig entleert, so dass ein Sperrleckstrom gering ist.
  • Unter einer niedrigen Durchlassspannung übertragen die ohmschen Kontakte der Kanäle 138 einen bipolaren Strom. Mit zunehmendem Durchlassstrom nimmt ein Spannungsabfall entlang den pn-Übergängen pn0 zwischen der Driftzone 121 und den Anodenzonen 111 zu. Oberhalb einer Cut-in-Spannung VX1, bei welcher der Spannungsabfall entlang den pn-Übergängen pn0 die Set-in-Spannung der pn-Übergänge pn0 übertrifft, d.h. das spezifische eingebaute Potential der pn-Übergänge pn0, addiert sich ein zusätzlicher Strom durch die in Durchlassrichtung gepolten pn-Übergänge allmählich zu dem Strom durch die ohmschen Kontakte, so dass die I/V-Kennlinie 415 einer Diode mit zunehmendem Durchlassstrom steiler wird. Aufgrund der ohmschen Natur leitet die IDEE einen niedrigen Sperrstrom bei niedriger Sperrspannung, so dass Verluste für einen Betrieb bei niedrigem Strom gering sind.
  • In 8 umfasst die elektrische Baugruppe 500 eine Klemmdiode 515 mit einer Durchbruchspannung, die niedriger als eine Durchbruchspannung einer Hilfsdiode ist, die als gleichrichtende Vorrichtung 560 genutzt wird, und niedriger als eine Durchbruchspannung der Bodydiode 519 des RC-IGBT 511 ist. Ein Überspannungszustand löst einen Lawinendurchbruch nur in der Klemmdiode 515 aus, so dass die Klemmdiode 515 den RC-IGBT 511 und die gleichrichtende Vorrichtung 560 gegen Überspannung schützen kann. Die Klemmdiode 515 kann für eine hohe Unempfindlichkeit gegen Lawinen ausgelegt sein, so dass Auslegungsbeschränkungen für die Hilfsdiode in dieser Hinsicht gelockert sind. Sowohl die Klemmdiode 515 als auch die Hilfsdiode können Dioden sein, die eine Cut-in-Spannung VX1 zeigen. Beispielsweise können sowohl die Klemmdiode 515 als auch die Hilfsdiode SiC-MPS-Dioden sein, wobei der Lawinendurchbruch in der Klemmdiode 515 Elektronen/Lochpaare erzeugt, so dass der Sperrstrom hoch ist und die Klemmdiode 515 den Silizium-RC-IGBT 511 gegen Überspannung effektiv schützt.
  • Die elektrische Baugruppe 500 kann auch ein induktives Element 517 zwischen Anschlüssen der gleichrichtenden Vorrichtung 560 und der Schaltvorrichtung 510, zum Beispiel zwischen dem Anodenanschluss AF der Klemmdiode 515 und dem Emitteranschluss E des RC-IGBT 511, enthalten. Die induktive Element 517 kann ein Teil einer Bondverdrahtung, eine Schleife einer Leiterbahn oder ein getrenntes induktives Element sein, das eine Lücke in einer Leiterbahn zwischen dem Anodenanschluss AF der Klemmdiode 515 und dem Emitteranschluss E des RC-IGBT 511 überbrückt. Das induktive Element 517 kann eine Übernahme eines Sperrstroms von der gleichrichtenden Vorrichtung 560 zum RC-IGBT 511 nach dem Entsättigungszklyus des RC-IGBT 511 verzögern.
  • Die in 9A und 9B veranschaulichten elektrischen Baugruppen 500 umfassen eine Trägerplatine 599, z.B. eine PCB-(Leiterplatte) oder DCB-(directly copper bonding-)Platine. Zumindest eine erste Leiterstruktur 591 und eine zweite Leiterstruktur 592 sind auf einer Montageoberfläche der Trägerplatine 599 ausgebildet. Die erste Leiterstruktur 591 bildet einen ersten Lastanschluss L1 oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden. Die zweite Leiterstruktur 592 bildet einen zweiten Lastanschluss L2 oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden. Die ersten und zweiten Leiterstrukturen 591, 592 können Kupferpads bzw. -Kontaktstellen oder Kupferstreifen sein.
  • Ein Silizium-RC-IGBT 511, eine Klemmdiode 515 und eine Hilfsdiode, die als die gleichrichtende Vorrichtung 560 von 1A effektiv ist, sind auf der ersten Leiterstruktur 591 montiert, z.B. gelötet oder nebeneinander gebondet, wobei die Kathoden der Hilfsdiode und der Klemmdiode 511 sowie der Kollektor des Silizium-RC-IGBT 511 die erste Leiterstruktur 591 direkt kontaktieren. Bondverdrahtungen 586 verbinden den freigelegten Anodenanschluss AF der Klemmdiode 515 und den freigelegten Anodenanschluss A der Hilfsdiode elektrisch mit der zweiten Leiterstruktur 592.
  • In 9A kann die Induktivität der Bondverdrahtung 586 zwischen der Entsättigungsdiode und der zweiten Leiterstruktur 592 erhöht werden, indem die Anzahl von Bonddrähten in der Bondverdrahtung 586 zwischen der Entsättigungsdiode und der zweiten Leiterstruktur 592 reduziert wird, indem die Bonddrähte verlängert werden oder indem die Bonddrähte aus einem anderen Material gebildet werden. Die erhöhte Induktivität kann die Erholung des Ladungsträgerplasmas nach einer Entsättigung weiter verzögern.
  • In 9B kann eine Schleife 587 in der zweiten Leiterstruktur 592 zwischen dem Silizium-RC-IGBT 511 und der gleichrichtenden Vorrichtung 560 die Streuinduktivität zwischen der Entsättigungsdiode und dem Silizium-RC-IGBT erhöhen.
  • 10 bezieht sich auf einen Bereich einer elektronischen Baugruppe 600, die beispielsweise ein Motorantrieb, ein geschaltetes Netzteil, eine Primärstufe eines geschalteten Netzteils, ein synchroner Gleichrichter, eine Primärstufe eines DC/AC-Wandlers, eine Sekundärstufe eines DC/AC-Wandlers, eine Primärstufe eines DC/DC-Wandlers oder ein Teil eines Wandlers für Solarleistung sein kann.
  • Die elektronische Baugruppe 600 kann zwei identische elektrische Baugruppen 500 wie oben beschrieben umfassen, die als Low-Side-Schalter und High-Side-Schalter in einer Halbbrückenkonfiguration angeordnet sind. Die elektrischen Baugruppen 500 können Silizium-RC-IGBTs 511 mit Bodydioden 519 und antiparallelen gleichrichtenden Vorrichtungen 560 enthalten, die als Hilfsdioden wie oben beschrieben effektiv sind. Die Lastpfade der beiden elektrischen Baugruppen 500 sind zwischen einen ersten Versorgungsanschluss A und einen zweiten Versorgungsanschluss B elektrisch in Reihe geschaltet. Die Versorgungsanschlüsse A, B können eine DC-(Gleichstrom-)Spannung oder eine AC-(Wechselstrom-)Spannung bereitstellen. Ein dazwischenliegender Netzwerkknoten NN zwischen den beiden elektrischen Baugruppen 500 kann beispielsweise mit einer induktiven Last LD, welche eine Wicklung eines Transformators oder eine Motorwicklung sein kann, oder mit einem Referenzpotential einer elektronischen Schaltung elektrisch verbunden sein.
  • Die elektronische Baugruppe 600 kann ein Motorantrieb sein, wobei die elektrischen Baugruppen 500 in einer Halbbrückenkonfiguration elektrisch angeordnet sind, der Netzwerkknoten NN mit einer Motorwicklung elektrisch verbunden ist und die Versorgungsanschlüsse A, B eine Gleichspannung bereitstellen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die elektronische Baugruppe 600 eine primärseitige Stufe eines geschalteten Netzteils sein, wobei die Versorgungsanschlüsse A, B der elektronischen Baugruppe 600 eine Wechselspannung einer Eingangsfrequenz bereitstellen. Der Netzwerkknoten NN ist mit einer Primärwicklung eines Transformators elektrisch verbunden.
  • Die elektronische Baugruppe 600 kann ein synchroner Gleichrichter eines geschalteten Netzteils sein, wobei die Versorgungsanschlüsse A, B mit einer Sekundärwicklung des Transformators verbunden sind und der Netzwerkknoten NN mit einem Referenzpotential einer elektronischen Schaltung an der Sekundärseite des geschalteten Netzteils elektrisch verbunden ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die elektronische Baugruppe 600 eine primärseitige Stufe eines DC/DC-Wandlers, zum Beispiel eines Leistungsoptimierers oder eines Mikro-Inverters für Anwendungen sein, die Photovoltaikzellen einschließen, wobei die Versorgungsanschlüsse A, B der elektronischen Baugruppe 600 eine Gleichspannung bereitstellen und der Netzwerkknoten NN mit einem induktiven Speicherelement elektrisch verbunden ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die elektronische Baugruppe 600 eine sekundärseitige Stufe eines DC/DC-Wandlers, z.B. eines Leistungsoptimierers oder eines Mikro-Inverters für Anwendungen sein, die Photovoltaikzellen einschließen, wobei die elektronische Baugruppe 600 den Versorgungsanschlüssen A, B eine Ausgangsspannung bereitstellt und wobei der Netzwerkknoten NN mit dem induktiven Speicherelement elektrisch verbunden ist.
  • 11 bezieht sich auf ein IGBT-Modul 700, das die elektronische Baugruppe 600 von 10 enthält. Das IGBT-Modul 700 kann ferner eine Gate-Steuerschaltung 710 umfassen, die dafür eingerichtet ist, ein Steuersignal zum abwechselnden Ein- und Ausschalten der elektronischen Baugruppe 600 bereitzustellen, und einen Gatetreiber 720, der durch die Gate-Steuerschaltung 710 gesteuert wird und mit Gateanschlüssen der elektronischen Baugruppe 600 elektrisch verbunden ist.
  • Obwohl spezifische Ausführungsformen hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen herangezogen werden kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (21)

  1. Elektrische Baugruppe (500), umfassend: eine rückwärts leitende Schaltvorrichtung (510), die Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung umfasst, wobei die Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung dafür eingerichtet sind, unter Sperrspannung in einem Entsättigungsmodus eingeschaltet und in einem Sättigungsmodus ausgeschaltet zu werden; und eine gleichrichtende Vorrichtung (560), die antiparallel mit der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei in einem Bereich eines Diodendurchlassstroms von einem halben maximalen Nenn-Diodenstrom (IF) der Schaltvorrichtung (510) bis zu dem maximalen Nenn-Diodenstrom (IF) eine I/V-Kennlinie (415) einer Diode der gleichrichtenden Vorrichtung (560) einen Spannungsabfall über die gleichrichtende Vorrichtung (560) höher als eine I/V-Kennlinie (411) einer Sättigung der Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung und niedriger als eine I/V-Kennlinie (412) einer Entsättigung der Schaltvorrichtung (510) mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung zeigt.
  2. Elektrische Baugruppe (500) nach Anspruch 1, wobei die Schaltvorrichtung (510) ein rückwärts leitender IGBT ist.
  3. Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die gleichrichtende Vorrichtung (560) dafür geeignet ist, einen unipolaren Durchlassstrom bei einer Durchlassspannung der gleichrichtenden Vorrichtung (560) unterhalb einer Cut-off-Spannung (VX1) zu übertragen und einen bipolaren Durchlassstrom bei einer Durchlassspannung der gleichrichtenden Vorrichtung (560) oberhalb der Cut-off-Spannung (VX1) zu übertragen, wobei die Cut-off-Spannung (VX1) höher als ein Spannungsabfall (VX1@sat) über die Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung und niedriger als ein Spannungsabfall (VX1@des) über die Schaltvorrichtung (510) mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung bei gleichem Sperrstrom (IFRC) und Diodendurchlassstrom (IFD) ist.
  4. Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei innerhalb eines nominalen Betriebsbereichs der Schaltvorrichtung (510) die I/V-Kennlinie (415) einer Diode der in Durchlassrichtung gepolten gleichrichtenden Vorrichtung (560) die I/V-Kennlinie (412) einer Entsättigung der Schaltvorrichtung (510) unter Sperrspannung mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung nicht schneidet.
  5. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die I/V-Kennlinie (415) einer Diode der in Durchlassrichtung gepolten gleichrichtenden Vorrichtung (560) die I/V-Kennlinie (411) einer Sättigung der Schaltvorrichtung (510) unter Sperrspannung mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung innerhalb eines nominalen Betriebsbereichs der Schaltvorrichtung (510) schneidet.
  6. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die gleichrichtende Vorrichtung (560) eine Merged-pn-Schottky-Diode (561) ist, wobei ein pn-Übergang der Merged-pn-Schottky-Diode (561) beginnt, Ladungsträger bei einer Durchlassspannung der gleichrichtenden Vorrichtung (560) bei oder oberhalb einer Cut-off-Spannung (VX1) zu injizieren, wobei die Cut-off-Spannung (VX1) höher als ein Spannungsabfall (VX1@Sat) über die Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung und niedriger als ein Spannungsabfall (VX1@des) über die Schaltvorrichtung (510) mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) bei gleichem Sperrstrom (IFRC) und Diodendurchlassstrom (IFD) ist.
  7. Elektrische Baugruppe (500) nach Anspruch 6, wobei die Cut-off-Spannung (VX1) mit zunehmender Temperatur abnimmt.
  8. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die gleichrichtende Vorrichtung (560) eine Diode (564) mit inverser Injektionsabhängigkeit einer Emittereffizienz ist, wobei ein pn-Übergang der Diode (564) mit inverser Injektionsabhängigkeit einer Emittereffizienz beginnt, Ladungsträger bei einer Durchlassspannung der gleichrichtenden Vorrichtung (560) bei oder oberhalb einer Cut-Off-Spannung (VX1) zu injizieren, wobei die Cut-off-Spannung (VX1) höher als ein Spannungsabfall (VX1@sat) über die Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) und niedriger als ein Spannungsabfall (VX1@des) über die Schaltvorrichtung (510) mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) bei gleichem Sperrstrom (IFRC) und Diodendurchlassstrom (IFD) ist.
  9. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend: eine Steuerschaltung (590), die einen Steuerausgangsanschluss (OUT) umfasst, der mit einem Steueranschluss (CTR) der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei die Steuerschaltung (590) dafür geeignet ist, ein Entsättigungssignal zu erzeugen und das Entsättigungssignal am Steuerausgangsanschluss (OUT) zu einem Zeitpunkt vor einer Änderung einer Vorspannung über Lastanschlüsse (L1, L2) der elektrischen Baugruppe (500) von einer Sperr- zu einer Durchlassrichtung abzugeben.
  10. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Halbleiterbereich (100) der gleichrichtenden Vorrichtung (560) aus Siliziumcarbid besteht.
  11. Elektrische Baugruppe (500), umfassend: eine rückwärts leitende Schaltvorrichtung (510), die Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung umfasst, wobei die Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung dafür eingerichtet sind, unter Sperrspannung in einem Entsättigungsmodus eingeschaltet und in einem Sättigungsmodus ausgeschaltet zu werden; und eine gleichrichtende Vorrichtung (560), die antiparallel mit der Schaltvorrichtung (510) elektrisch verbunden ist, wobei für eine Sperrspannung (VR) über die elektrische Baugruppe (500) unterhalb einer Schwellenspannung (VX2) ein Diodendurchlassstrom (IFD) der gleichrichtenden Vorrichtung (560) höher als ein Sperrstrom (IFRC) durch die Schaltvorrichtung (510) ist und für eine Sperrspannung (VR) oberhalb der Schwellenspannung (VX2) der Diodendurchlassstrom (IFD) durch die gleichrichtende Vorrichtung (560) niedriger als der Sperrstrom (IFRC) durch die Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung ist.
  12. Elektrische Baugruppe (500) nach Anspruch 11, wobei die gleichrichtende Vorrichtung (560) dafür geeignet ist, einen unipolaren Durchlassstrom bei einer Durchlassspannung der gleichrichtenden Vorrichtung (560) unterhalb einer Cut-off-Spannung (VX1) zu übertragen und einen bipolaren Durchlassstrom bei einer Durchlassspannung der gleichrichtenden Vorrichtung (560) oberhalb der Cut-off-Spannung (VX1) zu übertragen, wobei die Cut-off-Spannung (VX1) höher als ein Spannungsabfall (VX1@sat) über die Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung und niedriger als ein Spannungsabfall (VX1@des) über die Schaltvorrichtung (510) mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung bei gleichem Sperrstrom (IFRC) und Diodendurchlassstrom (IFD) ist.
  13. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei eine Set-in-Spannung (VSD) der gleichrichtenden Vorrichtung (560) niedriger als eine Set-in-Spannung (VSRC) der Schaltvorrichtung (510) unter Sperrspannung ist.
  14. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die gleichrichtende Vorrichtung (560) einen Schottky-Kontakt (SC) umfasst.
  15. Elektrische Baugruppe (500) nach Anspruch 14, wobei der Schottky-Kontakt (SC) eine Grenzfläche zwischen einem Halbleitermaterial und Molybdän aufweist.
  16. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die gleichrichtende Vorrichtung (560) eine Merged-pn-Schottky-Diode (561) ist, wobei ein pn-Übergang der Merged-pn-Schottky-Diode (561) beginnt, Ladungsträger bei einer Durchlassspannung der gleichrichtenden Vorrichtung (560) oberhalb einer Cut-off-Spannung (VX1) zu injizieren, wobei die Cut-off-Spannung (VX1) höher als ein Spannungsabfall (VX1@sat) über die Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung und niedriger als ein Spannungsabfall (VX1@des) über die Schaltvorrichtung (510) mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) bei gleichem Sperrstrom (IFRC) und Diodendurchlassstrom (IFD) ist.
  17. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die gleichrichtende Vorrichtung (560) eine Diode (564) mit inverser Injektionsabhängigkeit einer Emittereffizienz ist, wobei ein pn-Übergang der Diode (564) mit inverser Injektionsabhängigkeit einer Emittereffizienz beginnt, Ladungsträger bei einer Durchlassspannung der gleichrichtenden Vorrichtung (560) oberhalb einer Cut-off-Spannung (VX1) zu injizieren, wobei die Cut-off-Spannung (VX1) höher als ein Spannungsabfall (VX1@sat) über die Schaltvorrichtung (510) mit den ausgeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung und niedriger als ein Spannungsabfall (VX1@des) über die Schaltvorrichtung (510) mit den eingeschalteten Transistorzellen (TC) für eine Entsättigung bei gleichem Sperrstrom (IFRC) und Diodendurchlassstrom (IFD) ist.
  18. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die gleichrichtende Vorrichtung (560) eine MOS-Gate-gesteuerte Diode (562) ist.
  19. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Cut-off-Spannung (VX1) mit zunehmender Temperatur abnimmt.
  20. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei ein Halbleiterbereich (100) der gleichrichtenden Vorrichtung (560) aus einem Material mit breiter Bandlücke besteht.
  21. Elektrische Baugruppe (500) nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei ein Halbleiterbereich (100) der gleichrichtenden Vorrichtung (560) aus Siliziumcarbid besteht.
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