DE102016202386B3

DE102016202386B3 - Voltage transformer with a current measuring device

Info

Publication number: DE102016202386B3
Application number: DE102016202386.1A
Authority: DE
Inventors: Kai Kriegel; Julian Seidel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-02-18

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Strommessvorrichtung (1) für einen Spannungswandler (100) mit einem Wide-Bandgap-Halbleiterelement (2), das einen p-n-Übergang aufweist. Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung (1) weist einen Detektor (3) auf, der eine von dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement (2) im Betrieb abgestrahlte elektromagnetische Strahlung (γ) als Maß für einen Strom (I), der durch das Wide-Bandgap-Halbleiterelement (2) fließt, erfasst und ein den Strom (I) repräsentierendes Signal (5) zur Auswertung bereitstellt.The invention describes a current measuring device (1) for a voltage converter (100) with a wide-bandgap semiconductor element (2) which has a p-n junction. The current measuring device (1) according to the invention has a detector (3) which detects an electromagnetic radiation (γ) emitted by the wide-bandgap semiconductor element (2) as a measure of a current (I) caused by the wide band gap. Semiconductor element (2) flows, detects and provides the current (I) representing signal (5) for evaluation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler mit einer Strommessvorrichtung.The invention relates to a voltage converter with a current measuring device.

Zur Strommessung ist es in bisherigen Spannungswandlern bekannt, einen zusätzlichen Widerstand (Shunt) einzubauen und die über diesen Widerstand abfallende Spannung mittels eines Spannungsmessgeräts zu messen. Da die Größe des Widerstands bekannt ist, ergibt sich daraus der den Widerstand durchfließende Strom. Ein Nachteil dieser Art, Strom zu messen, ist offensichtlich der zusätzliche Widerstand in der Schaltung sowie der Spannungsabfall durch diesen.For current measurement, it is known in previous voltage converters to install an additional resistor (shunt) and to measure the voltage drop across this resistor by means of a voltage meter. Since the size of the resistor is known, this results in the current flowing through the resistor. A disadvantage of this type of measuring current is obviously the additional resistance in the circuit as well as the voltage drop across it.

Ferner wird die Verwendung von Wide-Bandgap-Halbleitern in Spannungswandlern erforscht. Wide-Bandgap-Halbleitern zeichnen sich gegenüber klassischen Halbleitern, die eine Bandlücke im unteren Bereich (Ge: 0,67 eV, Si: 1,12 eV) aufweisen, durch eine Bandlücke von mehr als 3 eV auf. Der energetische Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband beträgt also mehr als 3 Elektronenvolt (eV). Dadurch bieten Sie gegenüber klassischen Halbleitern mehrere Vorteile. Sie erzeugen in Schaltungen geringere Verluste und können höhere Spannungen verarbeiten. Aufgrund der größeren Bandlücke weisen sie eine erhöhte Temperaturfestigkeit auf. Wide-Bandgap-Halbleiter lassen sich mit hohen Frequenzen schalten und arbeiten sehr zuverlässig.Furthermore, the use of wide-bandgap semiconductors in voltage transformers is being explored. Wide bandgap semiconductors are distinguished by a band gap of more than 3 eV compared to classical semiconductors which have a band gap in the lower region (Ge: 0.67 eV, Si: 1.12 eV). The energetic distance between the valence band and the conduction band is thus more than 3 electron volts (eV). This offers you several advantages over classic semiconductors. They generate lower losses in circuits and can handle higher voltages. Due to the larger band gap, they have an increased temperature resistance. Wide bandgap semiconductors can be switched with high frequencies and work very reliably.

Aus der EP 1 720 230 B1 , der DE 699 97 125 T2 , der DE 10 2008 025 986 B4 und dem Forum: analoge Elektronik und Schaltungstechnik, Lineare High-Side-Strommessung mit Optokopplern, Autor ArnoR (Gast), www.mikrocontroller.net, 21.09.2015 ist es bekannt, Optokoppler zur Bestimmung eines Stromes zu verwenden.From the EP 1 720 230 B1 , of the DE 699 97 125 T2 , of the DE 10 2008 025 986 B4 and the forum: analog electronics and circuit technology, linear high-side current measurement with optocouplers, author ArnoR (guest), www.mikrocontroller.net, 21.09.2015 it is known to use optocouplers to determine a current.

Die WO 2015/131 846 A1 offenbart Wide-Bandgap-Halbleiter für unterschiedliche Einsatzzwecke, wie z. B. für die Verwendung in optoelektronischen Geräten, Lasern, Leistungsverstärkern und Stromrichtern sowie als Optokoppler für Stromrichter.The WO 2015/131 846 A1 discloses wide-bandgap semiconductors for different applications, such as B. for use in optoelectronic devices, lasers, power amplifiers and power converters and as optocouplers for power converters.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spannungswandler mit einem Wide-Bandgap-Halbleiterelement und ein Strommessverfahren dafür anzugeben, die eine verbesserte Strommessung bereitstellen.It is an object of the present invention to provide a voltage converter with a wide-bandgap semiconductor element and a current measuring method therefor, which provide improved current measurement.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Spannungswandler gemäß Patentanspruch 1 und ein Strommessverfahren gemäß Patentanspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängiger Ansprüchen.To solve the problem, a voltage converter according to claim 1 and a current measuring method according to claim 10 is given. Advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßer Spannungswandler umfasst ein Wide-Bandgap-Halbleiterelement mit einem p-n-Übergang als funktionalem Bestanteil und eine Strommessvorrichtung. Die Strommessvorrichtung umfass ein Halbleiterelement und einen Detektor, der eine von dem Halbleiterelement im Betrieb abgestrahlte elektromagnetische Strahlung als Maß für einen Strom erfasst und ein den Strom repräsentierendes Signal zur Auswertung bereitstellt. Der Spannungswandler zeichnet sich dadurch aus, dass das Halbleiterelement der Strommessvorrichtung das Wide-Bandgap-Halbleiterelement des Spannungswandlers ist, durch das der zu messende Strom fließt.A voltage converter according to the invention comprises a wide-bandgap semiconductor element with a p-n junction as a functional component and a current measuring device. The current measuring device comprises a semiconductor element and a detector, which detects an electromagnetic radiation emitted by the semiconductor element during operation as a measure of a current and provides a signal representing the current for evaluation. The voltage converter is characterized in that the semiconductor element of the current measuring device is the wide band gap semiconductor element of the voltage converter, through which the current to be measured flows.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass Wide-Bandgap-Halbleiterelemente mit einem p-n-Übergang im normalen Betrieb eine elektromagnetische Strahlung, die in Relation zu dem durch das Halbleiterelement fließenden Strom steht, aussenden.The present invention is based on the finding that wide-bandgap semiconductor elements with a p-n junction in normal operation emit electromagnetic radiation which is related to the current flowing through the semiconductor element.

Durch die Erfindung ist eine Strommessvorrichtung gegeben, die galvanisch von der Schaltung getrennt ist. Diese galvanische Isolation ermöglicht die Messung bei hohen Spannungen, hohen Strömen und hoher Schaltfrequenz. Da Wide-Bandgap-Halbleiterelemente gerade in Schaltungen unter solchen Bedingungen betrieben werden, ist eine galvanisch isolierte Strommessung höchst vorteilhaft.The invention provides a current measuring device which is galvanically isolated from the circuit. This galvanic isolation enables measurement at high voltages, high currents and high switching frequency. Since wide bandgap semiconductor devices are being operated in circuits under such conditions, galvanically isolated current measurement is highly advantageous.

Eine zweckmäßige Ausführungsform des Spannungswandlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wide-Bandgap-Halbleiterelement ein Siliziumcarbid-(SiC)-Halbleiterelement oder ein Galliumnitrid-(GaN)-Halbleiterelement ist.An expedient embodiment of the voltage converter is characterized in that the wide-bandgap semiconductor element is a silicon carbide (SiC) semiconductor element or a gallium nitride (GaN) semiconductor element.

Es ist bekannt, Siliziumcarbid und Galliumnitrid als Wide-Bandgap-Halbleiterelemente zu verwenden. Die Bandlücke von Siliziumcarbid beträgt 3,03 eV, die von Galliumnitrid beträgt 3,37 eV. Weitere Halbleitermaterialien mit einer Bandlücke größer als 3 eV sind Indiumgalliumnitrid (InGaN: bis 3,37 eV Bandlücke), Bornitrid (BN: 5,8 eV), Aluminiumnitrid (AlN: 6,2 eV), Zinkoxid (ZnO: 3,37 eV) und Diamant (C: 5,5 bis 6,4 eV).It is known to use silicon carbide and gallium nitride as wide bandgap semiconductor devices. The band gap of silicon carbide is 3.03 eV, that of gallium nitride is 3.37 eV. Further semiconductor materials with a band gap greater than 3 eV are indium gallium nitride (InGaN: up to 3.37 eV band gap), boron nitride (BN: 5.8 eV), aluminum nitride (AlN: 6.2 eV), zinc oxide (ZnO: 3.37 eV ) and diamond (C: 5.5 to 6.4 eV).

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Spannungswandlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wide-Bandgap-Halbleiterelement mit p-n-Übergang ein Gleichrichterelement, insbesondere eine Gleichrichterdiode, ist.An advantageous embodiment of the voltage converter is characterized in that the wide-bandgap semiconductor element with p-n junction is a rectifier element, in particular a rectifier diode.

Eine zweckmäßige Ausführungsform des Spannungswandlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wide-Bandgap-Halbleiterelement eine Leistungsdiode ist. Aufgrund der großen Bandlücke eignen sich diese Halbleiter insbesondere zur Anwendung in Leistungselektronik, d. h. zur Verwendung als Leistungsdiode, da sie, wie eingangs erwähnt, zum Betrieb bei hohen Spannungen und Schaltfrequenzen gut geeignet sind.An expedient embodiment of the voltage converter is characterized in that the wide-bandgap semiconductor element is a power diode. Due to the large band gap, these semiconductors are particularly suitable for use in power electronics, ie for use as a power diode, since they, as at the outset mentioned, are well suited for operation at high voltages and switching frequencies.

Eine zweckmäßige Ausführungsform des Spannungswandlers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor einen Analog-Digital-Wandler (ADW) umfasst, wobei der Analog-Digital-Wandler (ADW) das Signal zur Auswertung bereitstellt. Unter diesem Signal ist das Signal zu verstehen, das den das Wide-Bandgap-Halbleiterelement durchfließenden Strom repräsentiert. Ein Analog-Digital-Wandler ist eine einfache, weitverbreitete und praktikable Möglichkeit, eine Spannung in ein Signal umzuwandeln, welches sich zur Anzeige oder zur digitalen Weiterverarbeitung eignet.An expedient embodiment of the voltage converter is characterized in that the detector comprises an analog-to-digital converter (ADW), wherein the analog-to-digital converter (ADW) provides the signal for evaluation. By this signal is meant the signal representing the current flowing through the wide-bandgap semiconductor element. An analog-to-digital converter is a simple, widely used and feasible way to convert a voltage into a signal suitable for display or digital processing.

Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor eine Photodiode umfasst. Eine Photodiode ermöglicht eine einfache Umwandlung der erfassten elektromagnetischen Strahlung in Strom. Die Kennlinie der Photodiode ist bekannt, so dass eine wohldefinierte Relation zwischen einer Ausgangsspannung der Photodiode und der erfassten elektromagnetischen Strahlung besteht. Da eine Photodiode im Vergleich zu einem Shunt eine höhere Spannungsdifferenz bereitstellt, ermöglicht die Strommessvorrichtung eine Strommessung mit sehr hoher Auflösung und einer einfacheren Messschaltung im Vergleich zu einer Messschaltung mit einem Shunt. Ferner ist der Einsatz von Photodioden weit verbreitet und sie stellen ein günstiges und einfach herzustellendes Bauteil dar.A further expedient embodiment is characterized in that the detector comprises a photodiode. A photodiode allows easy conversion of the detected electromagnetic radiation into electricity. The characteristic of the photodiode is known, so that there is a well-defined relation between an output voltage of the photodiode and the detected electromagnetic radiation. Since a photodiode provides a higher voltage difference compared to a shunt, the current measuring device allows a current measurement with very high resolution and a simpler measurement circuit compared to a measurement circuit with a shunt. Furthermore, the use of photodiodes is widespread and they represent a cheap and easy to manufacture component.

Eine zweckmäßige Ausführungsform des Spannungswandlers sieht vor, dass die Photodiode des Detektors in direktem Kontakt auf dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement angeordnet ist. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Detektor, d. h. die Photodiode des Detektors, über einen Lichtleiter mit dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement verbunden ist, wobei der Lichtleiter die von dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement abgestrahlte elektromagnetische Strahlung zu der Photodiode des Detektors leitet.An expedient embodiment of the voltage converter provides that the photodiode of the detector is arranged in direct contact on the wide-bandgap semiconductor element. Alternatively, it may be provided that the detector, i. H. the photodiode of the detector is connected via a light guide to the wide-bandgap semiconductor element, wherein the optical waveguide directs the electromagnetic radiation emitted by the wide-bandgap semiconductor element to the photodiode of the detector.

Eine Anbringung der Photodiode in direktem Kontakt auf dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement stellt eine robuste Einheit dar. Auf diese Art kann die Strommessvorrichtung platzsparend realisiert werden. Die alternative Verbindung des Wide-Bandgap-Halbleiterelements über einen Lichtleiter mit der Photodiode des Detektors ermöglicht eine räumliche Trennung des Detektors von dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement. Dadurch wird eine bessere Abschirmung von Leckströmen und elektrischen Feldern erreicht, wie sie bei hohen Schaltfrequenzen entstehen. Die galvanische Isolation ist somit gut und einfach zu realisieren.An attachment of the photodiode in direct contact on the wide-bandgap semiconductor element is a robust unit. In this way, the current measuring device can be realized to save space. The alternative connection of the wide-bandgap semiconductor element via a light guide to the photodiode of the detector allows a spatial separation of the detector from the wide-bandgap semiconductor element. This achieves better shielding of leakage currents and electric fields as they occur at high switching frequencies. The galvanic isolation is thus good and easy to realize.

In einem erfindungsgemäßen Strommessverfahren zur Bestimmung des in einem Spannungswandler fließenden Stroms, wobei der Spannungswandler ein Wide-Bandgap-Halbleiterelement mit p-n-Übergang umfasst, wird eine elektromagnetische Strahlung, die von dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement abgestrahlt wird, mittels eines Detektors als Maß für einen Strom, der durch das Wide-Bandgap-Halbleiterelement fließt, erfasst und der Detektor stellt ein Signal zur Auswertung bereit, das den durch das Wide-Bandgap-Halbleiterelement fließenden Strom repräsentiert.In a current measuring method according to the invention for determining the current flowing in a voltage converter, wherein the voltage converter comprises a pn junction wide-bandgap semiconductor element, an electromagnetic radiation emitted by the wide-bandgap semiconductor element is measured by means of a detector as a measure of detects a current flowing through the wide-bandgap semiconductor element, and the detector provides a signal for evaluation representing the current flowing through the wide-bandgap semiconductor element.

Dieses Strommessverfahren ermöglicht eine einfache Strommessung in dem Spannungswandler. Da die elektromagnetische Strahlung, die von dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement abgestrahlt wird, zur Messung verwendet wird, ist auf natürliche Art und Weise die galvanische Trennung der messenden Einheit von dem Stromkreis gegeben.This current measuring method allows a simple current measurement in the voltage converter. Since the electromagnetic radiation radiated from the wide-bandgap semiconductor element is used for measurement, there is naturally provided the galvanic separation of the measuring unit from the circuit.

Unter dem Ausdruck „repräsentiert” versteht man dabei, dass die zwei Größen „Signal” und „Strom” über eine mathematische Funktion miteinander verknüpft sind. Dafür wird die Abstrahlung des Wide-Bandgap-Halbleiterelements vorher genau vermessen. Der Detektor ist darauf optimiert, die abgestrahlte elektromagnetische Strahlung des Wide-Bandgap-Halbleiterelements möglichst vollständig zu erfassen. Da auch das Verhalten des Detektors vorher bekannt ist, kann ein Signal bereitgestellt werden, das genaue und eindeutige Informationen über den Strom, der durch das Wide-Bandgap-Halbleiterelement fließt, enthält.The term "represented" is understood to mean that the two quantities "signal" and "current" are linked together via a mathematical function. For this purpose, the radiation of the wide-bandgap semiconductor element is previously measured exactly. The detector is optimized to detect the radiated electromagnetic radiation of the wide-bandgap semiconductor element as completely as possible. Since the behavior of the detector is also known in advance, a signal can be provided which contains accurate and unambiguous information about the current flowing through the wide bandgap semiconductor element.

Durch das Ausnutzen der natürlichen Eigenschaften des Wide-Bandgap-Halbleiterelements, das funktionaler Bestandteil des Spannungswandlers ist, ist es möglich, ohne den Einbau weiterer Messelemente in den Spannungswandler den durch diesen fließenden Strom zu messen. Die Messung erfolgt sozusagen „im Vorbeigehen”. Zusätzliche Bauteile, die einen zusätzlichen Widerstand und einen zusätzlichen Spannungsabfall bewirken, werden nicht benötigt. Bei Spannungswandlern, die ein Wide-Bandgap-Halbleiterelement umfassen, ist durch diese Erfindung eine störungsfreie Strommessung verwirklicht.By exploiting the natural properties of the wide-bandgap semiconductor element, which is a functional component of the voltage converter, it is possible to measure the current flowing through it without the installation of further measuring elements in the voltage converter. The measurement takes place, so to speak, "in passing". Additional components that provide additional resistance and voltage drop are not needed. In voltage converters comprising a wide-bandgap semiconductor element, a smooth current measurement is realized by this invention.

Der erfindungsgemäße Spannungswandler ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Umrichter oder als Buck-Boost-Converter oder als Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) oder als Gleichrichter oder als Aufwärtswandler oder als Abwärtswandler ausgebildet ist.The voltage converter according to the invention is characterized in that it is designed as a converter or as a buck-boost converter or as a power factor correction filter (PFC) or as a rectifier or as an up-converter or as a down converter.

Die störungsfreie Strommessung ist somit in Geräten mit unterschiedlichen Funktionen möglich.The interference-free current measurement is thus possible in devices with different functions.

Die Erfindung ermöglicht es somit, in Schaltungen, insbesondere Leistungsschaltungen zum Verarbeiten von mehreren 100 V, den Strom galvanisch getrennt zu messen, ohne dass zusätzliche Bauteile, welche einen zusätzlichen Verlust oder eine Störung einbringen, notwendig sind. The invention thus makes it possible, in circuits, in particular power circuits for processing several 100 V, to measure the current galvanically separated, without the need for additional components which introduce an additional loss or a disturbance.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung; 1 a schematic representation of a current measuring device according to the invention;

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers, der eine erfindungsgemäße Strommessvorrichtung umfasst; 2 a schematic representation of a voltage converter according to the invention comprising a current measuring device according to the invention;

3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung; und 3 a schematic representation of a first embodiment of a current measuring device according to the invention; and

4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung. 4 a schematic representation of a second embodiment of a current measuring device according to the invention.

In 1 fließt ein zu messender Strom I durch ein Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 mit einem p-n-Übergang. Wide-Bandgap-Halbleiterelemente werden aufgrund ihrer großen Bandlücke vorzugsweise in Leistungselektronik verwendet. Sie werden, aufgrund ihrer guten Sperreigenschaften, bei hohen Spannungen, insbesondere bei 100 V bis zu mehreren 1000 V, und bei hohen Strömen mit bis zu mehreren 100 A eingesetzt. In solchen Leistungsschaltungen werden diese Wide-Bandgap-Halbleiterelemente ferner mit hohen Frequenzen geschaltet.In 1 A current I to be measured flows through a wide-bandgap semiconductor element 2 with a pn junction. Wide bandgap semiconductor elements are preferably used in power electronics because of their large bandgap. Due to their good barrier properties, they are used at high voltages, in particular at 100 V up to several 1000 V, and at high currents up to several 100 A. In such power circuits, these wide-bandgap semiconductor elements are further switched at high frequencies.

Durch die Elektronen-Loch-Rekombination, die sich im Betrieb in dem Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 vollzieht, sendet dieses eine elektromagnetische Strahlung γ aus. Diese elektromagnetische Strahlung γ wird von einem Detektor 3 erfasst. Der Detektor 3 umfasst eine Photodiode 4, die die erfasste elektromagnetische Strahlung in einen elektrischen Strom umwandelt, der durch den einen Widerstand 7 fließt. Ein Analog-Digital-Wandler 6 (ADW) misst dabei die über den Widerstand 7 abfallende Spannung und wandelt diese in ein Signal 5 um, das den Strom I repräsentiert.By the electron-hole recombination, which in operation in the wide-bandgap semiconductor element 2 performs, this emits an electromagnetic radiation γ. This electromagnetic radiation γ is from a detector 3 detected. The detector 3 includes a photodiode 4 which converts the detected electromagnetic radiation into an electric current passing through the one resistor 7 flows. An analog-to-digital converter 6 (ADW) measures the over resistance 7 falling voltage and converts it into a signal 5 um, which represents the current I.

Das erfindungsgemäße Strommessverfahren beruht darauf, dass das Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 eine elektromagnetische Strahlung γ, die von dem Strom I abhängt, emittiert. Da diese elektromagnetische Strahlung γ eine Funktion des Stroms I ist, wird diese Strahlung γ als Maß für den Strom I gemessen. Mittels des beschriebenen Detektors 3 wird die elektromagnetische Strahlung γ wieder in ein Signal 5 umgewandelt, das den Strom I repräsentiert.The current measuring method according to the invention is based on the fact that the wide-bandgap semiconductor element 2 an electromagnetic radiation γ, which depends on the current I emits. Since this electromagnetic radiation γ is a function of the current I, this radiation γ is measured as a measure of the current I. By means of the described detector 3 the electromagnetic radiation γ becomes a signal again 5 converted, which represents the current I.

Der Sender (Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2) und der Empfänger (Photodiode 4) sind dabei aufeinander abgestimmt. Beispielhaft emittieren SiC-Halbleiterelemente in einem Bereich von 450 nm bis 500 nm und GaN-Halbleiterelemente in einem Bereich von 500 nm bis 570 nm. Daher sind Photodioden zweckmäßig, die in diesem Bereich besonders empfindlich sind, z. B. Photodioden aus Silizium, Germanium oder Quecksilber-Cadmium-Tellurid. Der Einsatz von Standard Silizium-Photodioden ist zweckmäßig, da deren Kennlinie genau bekannt ist und da sie in den gewünschten Bereichen sehr sensibel sind.The transmitter (wide-bandgap semiconductor element 2 ) and the receiver (photodiode 4 ) are coordinated with each other. By way of example, SiC semiconductor elements emit in a range of 450 nm to 500 nm and GaN semiconductor elements in a range of 500 nm to 570 nm. Therefore, photodiodes which are particularly sensitive in this region, e.g. As photodiodes of silicon, germanium or mercury-cadmium telluride. The use of standard silicon photodiodes is expedient, since their characteristic is well known and because they are very sensitive in the desired areas.

Der Vorteil dieses Strommessverfahrens besteht darin, dass die Strommessung völlig von dem Stromkreis abgekoppelt ist, und zwar durch das Umwandeln von Strom in elektromagnetische Strahlung und wieder zurück. Dadurch ist eine gute galvanische Trennung gegeben, wodurch sich dieses Strommessverfahren zum Einsatz in Schaltungen eignet, die, wie oben beschrieben, bei hohen Spannungen betrieben und mit hoher Frequenz geschaltet werden.The advantage of this current measurement method is that the current measurement is completely decoupled from the circuit, by converting current into electromagnetic radiation and back again. This provides a good electrical isolation, which makes this current measuring method suitable for use in circuits which, as described above, are operated at high voltages and switched at high frequency.

Die Strommessvorrichtung 1 ermöglicht es, den Strom I zu messen, ohne die Vorteile der Wide-Bandgap-Halbleiterelemente zu beeinträchtigen. Durch die gute galvanische Isolation ist die Strommessvorrichtung 1 unempfindlich gegen hohe Spannungen und stellt keine Quelle für Leckströme dar. Im Vergleich zu magnetischen Messmitteln ermöglicht die Strommessvorrichtung 1 auch eine Strommessung mit sehr hoher Messgeschwindigkeit, also bei sehr hohen Schaltfrequenzen.The current measuring device 1 allows the current I to be measured without compromising the advantages of the wide bandgap semiconductor elements. Due to the good galvanic isolation is the current measuring device 1 Insensitive to high voltages and does not represent a source of leakage. Compared to magnetic measuring means allows the current measuring device 1 also a current measurement with a very high measuring speed, ie at very high switching frequencies.

2 zeigt schematisch, wie die Strommessvorrichtung 1 auf erfindungsgemäße Art und Weise in einem Spannungswandler 100 integriert ist. Der Spannungswandler 100 weist eine seiner Funktion entsprechende innere Schaltung 103 auf, die eine Wandlung einer an der Eingangsseite 101 anliegenden Spannung in eine davon verschiedene, an der Ausgangsseite 102 anliegende Spannung durchführt. Das Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 ist dabei funktionaler und integraler Bestandteil der inneren Schaltung 103 des Spannungswandlers 100. 2 schematically shows how the current measuring device 1 in the manner of the invention in a voltage converter 100 is integrated. The voltage converter 100 has an inner circuit corresponding to its function 103 on, which is a transformation of one on the input side 101 applied voltage in one of them different, on the output side 102 voltage applied. The wide-bandgap semiconductor element 2 is a functional and integral part of the inner circuit 103 of the voltage converter 100 ,

Ist der Spannungswandler 100 in Betrieb, so fließt der Strom I durch das Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2, welches, wie oben beschrieben, elektromagnetische Strahlung γ aussendet. In dem Spannungswandler 100 ist nun der Detektor 3 derart angeordnet, dass er die vom Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 emittierte Strahlung γ erfasst. Wie oben beschrieben, wandelt der Detektor 3 mittels der Photodiode 4, dem Widerstand 7 und dem ADW 6 die erfasste Strahlung γ in das den Strom I repräsentierende Signal 5 um. Dieses Signal 5 kann einer Recheneinheit, einer Steuereinheit oder einer Anzeige zugeführt werden.Is the voltage transformer 100 In operation, the current I flows through the wide-bandgap semiconductor element 2 which, as described above, emits electromagnetic radiation γ. In the voltage converter 100 is now the detector 3 arranged such that it receives the from the wide-bandgap semiconductor element 2 emitted radiation γ detected. As described above, the detector converts 3 by means of the photodiode 4 , the resistance 7 and the ADW 6 the detected radiation γ into which the current I representing signal 5 around. This signal 5 can be supplied to a computing unit, a control unit or a display.

Die Integration der Strommessvorrichtung 1 in den Spannungswandler 100 kann auf einfache Art und Weise erfolgen. Sie stellt eine einfache, kompakte und platzsparende Art der Strommessung bereit. Ferner ist der Detektor 3 der Strommessvorrichtung 1 vollständig galvanisch von der inneren Schaltung 103 getrennt.The integration of the current measuring device 1 in the voltage converter 100 can be done in a simple way. It provides a simple, compact and space-saving way of measuring current. Further, the detector 3 the current measuring device 1 completely galvanic from the inner circuit 103 separated.

Das Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 ist dabei, wie oben beschrieben, funktionaler und integraler Bestandteil des Spannungswandlers 100. Das Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 muss zur Verwendung in der Strommessvorrichtung 1 nicht geändert oder als zusätzliches Bauteil bereitgestellt werden. Mit anderen Worten ist das Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 der Strommessvorrichtung 1 identisch zu einem Wide-Bandgap-Halbleiterelement, das nicht Teil der Strommessvorrichtung 1 ist und in der inneren Schaltung 103 den identischen Zweck erfüllt. Es werden sozusagen die bereits vorhandenen Eigenschaften von bestehenden Wide-Bandgap-Halbleiterelementen genutzt.The wide-bandgap semiconductor element 2 is, as described above, functional and integral part of the voltage converter 100 , The wide-bandgap semiconductor element 2 must be for use in the current measuring device 1 not changed or provided as an additional component. In other words, it is the wide-bandgap semiconductor element 2 the current measuring device 1 identical to a wide-bandgap semiconductor element that is not part of the current measuring device 1 is and in the inner circuit 103 fulfills the identical purpose. As it were, the already existing properties of existing wide-bandgap semiconductor elements are used.

Dies verdeutlicht die Vorteile der Strommessung „im Vorbeigehen”. Da zur Strommessung keine zusätzlichen Elemente in der funktionalen inneren Schaltung 103 des Spannungswandlers 100 eingebaut sind, wird die Funktion und der Aufbau des Spannungswandlers 100 nicht verändert und/oder gestört und somit wird keine zusätzliche Störung und/oder kein zusätzlicher Verlust durch die Messung erzeugt.This illustrates the advantages of current measurement "in passing". As for current measurement no additional elements in the functional internal circuit 103 of the voltage converter 100 are installed, the function and structure of the voltage converter 100 not changed and / or disturbed and thus no additional disturbance and / or no additional loss is generated by the measurement.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Realisierung der Strommessvorrichtung 1. Diese befindet sich dabei beispielhaft auf einem Träger 10. Auf diesem Träger 10 sind sowohl das Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2, als auch der Analog-Digital-Wandler 6 und der Widerstand 7 angeordnet, wobei der Analog-Digital-Wandler 6 und der Widerstand 7 zur übersichtlichen Darstellung als eine Einheit dargestellt sind. 3 shows a schematic representation of a first realization of the current measuring device 1 , This is exemplified on a support 10 , On this carrier 10 are both the wide-bandgap semiconductor element 2 , as well as the analog-to-digital converter 6 and the resistance 7 arranged, the analog-to-digital converter 6 and the resistance 7 for clarity of presentation are shown as a unit.

Der Träger 10 kann dabei Teil des Spannungswandlers 100 sein und die hier nicht gezeigte weitere innere Schaltung 103 des Spannungswandlers 100 umfassen. Das Wide-Bandgap-Halbleiterelement 2 ist funktionaler Teil dieser inneren Schaltung 103 und als ein Siliziumcarbid-(SiC)-Halbleiterelement 12 ausgestaltet. Dieses SiC-Halbleiterelement 12 weist einen p-n-Übergang auf. Zur Kontaktierung ist die Oberfläche des SiC-Halbleiterelements 12 teilweise mit einer Aluminium-Metallisierung 11 beschichtet.The carrier 10 can be part of the voltage transformer 100 be and not shown here further inner circuit 103 of the voltage converter 100 include. The wide-bandgap semiconductor element 2 is functional part of this inner circuit 103 and as a silicon carbide (SiC) semiconductor element 12 designed. This SiC semiconductor element 12 has a pn junction. For contacting, the surface of the SiC semiconductor element 12 partly with an aluminum metallization 11 coated.

In bisherigen Ausführungen von Wide-Bandgap-Halbleiterelementen in solchen Schaltungen ist die Oberfläche komplett durch die Metallisierung abgedeckt, wodurch das Leuchten der Wide-Bandgap-Halbleiterelemente in diesen Schaltungen bisher verborgen blieb.In previous embodiments of wide-bandgap semiconductor elements in such circuits, the surface is completely covered by the metallization, whereby the illumination of the wide-bandgap semiconductor elements in these circuits has hitherto remained hidden.

In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Metallisierung 11 nicht vollständig auf der Oberfläche des SiC-Halbleiterelements aufgebracht, sodass ein Bereich der Oberfläche frei bleibt. Auf diesem Bereich, der auf der vom Träger 10 abgewandten Seite des SiC-Halbleiterelements 12 ist, ist die Photodiode 4 in direktem Kontakt auf dem SiC-Halbleiterelement 12 angeordnet. Zur galvanischen Isolation ist zwischen dem SiC-Halbleiterelement 12 und der Photodiode 4 eine Isolierschicht 13 angeordnet. Diese kann aus Glas oder Kunststoff geschaffen sein und ist durchlässig für die elektromagnetische Strahlung γ des SiC-Halbleiterelements 12.In the in 3 the embodiment shown is the metallization 11 not fully deposited on the surface of the SiC semiconductor element leaving a portion of the surface exposed. On this area, the one on the carrier 10 remote side of the SiC semiconductor element 12 is, is the photodiode 4 in direct contact on the SiC semiconductor element 12 arranged. For galvanic isolation is between the SiC semiconductor element 12 and the photodiode 4 an insulating layer 13 arranged. This can be made of glass or plastic and is permeable to the electromagnetic radiation γ of the SiC semiconductor element 12 ,

Über Leiterdrähte 14, die als Bonddrähte ausgebildet sein können, wird eine Ausgangsspannung der Photodiode 4 zu dem Widerstand 7 weitergeleitet und der Analog-Digital-Wandler 6 erzeugt aus der über dem Widerstand abfallenden Spannung das Signal 5 (in 3 nicht gezeigt). Der Widerstand 7 und der Analog-Digital-Wandler 6 sind dabei entfernt und beabstandet von der Photodiode 4 und dem SiC-Halbleiterelement 12 angeordnet.Via conductor wires 14 , which may be formed as bonding wires, becomes an output voltage of the photodiode 4 to the resistance 7 forwarded and the analog-to-digital converter 6 generates the signal from the voltage dropped across the resistor 5 (in 3 Not shown). The resistance 7 and the analog-to-digital converter 6 are removed and spaced from the photodiode 4 and the SiC semiconductor element 12 arranged.

Diese Ausführungsform ist im Herstellungsprozess des Spannungswandlers 100 einfach zu realisieren. Durch die Anordnung der Strommessvorrichtung 1 auf der Leiterplatte 10 kann das durch die Strommessvorrichtung 1 bereitgestellte Signal 5 direkt in oder auf dem Träger 10 weiterverarbeitet werden.This embodiment is in the manufacturing process of the voltage converter 100 easy to realize. By the arrangement of the current measuring device 1 on the circuit board 10 Can this be done by the current measuring device 1 provided signal 5 directly in or on the carrier 10 be further processed.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Realisierung der Strommessvorrichtung 1. Analog zu der ersten Realisierung in 3 sind hier das SiC-Halbleiterelement 12 mit der teilweisen Aluminium-Metallisierung 11 und der Detektor 3 auf dem Träger 10 angeordnet. In der zweiten Ausführungsform wird die von dem SiC-Halbleiterelement 12 emittierte elektromagnetische Strahlung über einen Lichtleiter 15 zu dem entfernt und beabstandet angeordneten Detektor 3 geleitet, sodass, wie in 4 gezeigt, die Photodiode 4 räumlich entfernt von dem SiC-Halbleiterelement 12 angeordnet ist. Der Detektor 3 und das SiC-Halbleiterelement 12 stehen also nicht in direktem Kontakt. 4 shows a schematic representation of a second alternative realization of the current measuring device 1 , Analogous to the first realization in 3 Here are the SiC semiconductor element 12 with partial aluminum metallization 11 and the detector 3 on the carrier 10 arranged. In the second embodiment, that of the SiC semiconductor element becomes 12 emitted electromagnetic radiation via a light guide 15 to the remote and spaced detector 3 so that, as in 4 shown the photodiode 4 spatially away from the SiC semiconductor element 12 is arranged. The detector 3 and the SiC semiconductor element 12 So are not in direct contact.

Durch diese räumliche Trennung des Detektors 3 von dem SiC-Halbleiterelement 12 wird eine sehr gute galvanische Isolation erreicht. Eine solche Anordnung ermöglicht den Einsatz der Strommessvorrichtung 1 auch bei Spannungen von über 1000 V.Through this spatial separation of the detector 3 from the SiC semiconductor element 12 a very good galvanic isolation is achieved. Such an arrangement allows the use of the current measuring device 1 even at voltages of more than 1000 V.

Die beschriebenen Ausführungsformen stellen eine Strommessvorrichtung und ein Strommessverfahren bereit, welche die Funktion eines Spannungswandlers, in dem die Vorrichtung eingebaut und das Verfahren verwendet wird, nicht beeinträchtigen oder stören.The described embodiments provide a current measuring device and a current measuring method which do not interfere with or interfere with the function of a voltage converter in which the device is installed and used.

Claims

Voltage transformer ( 100 ) with a wide-bandgap semiconductor element with a pn junction as a functional component and a current measuring device ( 1 ), comprising: - a semiconductor element ( 2 ); and a detector ( 3 ), one of the semiconductor element ( 2 ) detected during operation electromagnetic radiation (γ) detected as a measure of a current (I) and a current (I) representing signal ( 5 ) for evaluation, characterized in that the semiconductor element ( 2 ) of the current measuring device ( 1 ) the wide-bandgap semiconductor element of the voltage converter ( 100 ) through which the current to be measured (I) flows.

Voltage converter according to claim 1, characterized in that the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) is a silicon carbide (SiC) semiconductor element or a gallium nitride semiconductor element.

Voltage converter according to one of the preceding claims, characterized in that the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) is a rectifier element, in particular a rectifier diode.

Voltage converter according to one of the preceding claims, characterized in that the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) is a power diode.

Voltage transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the detector ( 3 ) an analog-to-digital converter ( 6 ), wherein the analog-to-digital converter ( 6 ) the signal ( 5 ) for evaluation.

Voltage transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the detector ( 3 ) a photodiode ( 4 ).

Voltage transformer according to claim 6, characterized in that the photodiode ( 4 ) of the detector ( 3 ) in direct contact on the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) is arranged.

Voltage transformer according to claim 6, characterized in that the detector ( 3 ) via a light guide ( 12 ) with the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ), wherein the optical fiber ( 12 ) of the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) radiated electromagnetic radiation (γ) to the photodiode ( 4 ) of the detector ( 3 ).

Voltage transformer according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed as a converter or as a buck-boost converter or as a power factor correction filter (PFC) or as a rectifier or as a boost converter or as a buck converter.

Current measuring method for determining in a voltage converter ( 100 ) flowing current (I), wherein the voltage transformer ( 100 ) a wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) comprising a pn junction, in which - an electromagnetic radiation (γ) emitted by the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) is radiated during operation by means of a detector ( 3 ) as a measure of a current (I) generated by the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) flows, is detected; and the detector ( 3 ) a signal ( 5 ) provided by the wide-bandgap semiconductor element ( 2 ) represents flowing current (I).