DE102017117888A1 - Elektronische Schaltung mit einer Halbbrückenschaltung und einem Spannungsklemmelement - Google Patents

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Jan Fuhrmann
Hans-Günter Eckel
Thomas Basler
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Infineon Technologies Austria AG
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Infineon Technologies Austria AG
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Abstract

Eine elektronische Schaltung mit einer Schalt-Schaltung wird beschrieben. Die wenigstens eine Schalt-Schaltung umfasst ein Spannungsklemmelement und eine Halbbrücke mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter, wobei der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter jeweils einen Steuerknoten und eine Laststrecke aufweisen, und wobei die Laststrecken des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters in Reihe geschaltet sind. Das Spannungsklemmelement ist so parallel zu der Halbbrücke geschaltet, dass eine erste Gesamtinduktivität von ersten Leitern, die den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter verbinden und die das Spannungsklemmelement mit der Halbbrücke verbinden, geringer ist als 20 nH.

Description

  • Diese Beschreibung betrifft allgemein eine elektronische Schaltung, insbesondere eine elektronische Schaltung mit einer Halbbrückenschaltung.
  • Eine Halbbrückenschaltung umfasst einen High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter, die jeweils eine Laststrecke und einen Steuerknoten umfassen und deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind. Üblicherweise wird ein Ausgang der Halbbrücke durch einen Schaltungsknoten gebildet, an den die Laststrecken sowohl des High-Side-Schalters als auch des Low-Side-Schalters angeschlossen sind. Außerdem kann eine Reihenschaltung mit dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter eine Versorgungsspannung erhalten, die zwischen Versorgungsknoten verfügbar ist.
  • Eine Halbbrückenschaltung kann in einer Vielzahl verschiedener Schaltungsanwendungen verwendet werden, wie beispielsweise in Spannungsinvertern, Tiefsetzstellern oder Ansteuerschaltungen zum Ansteuern von Lasten, um nur einige wenige zu nennen. Der Betrieb einer Halbbrückenschaltung kann einen getakteten Betrieb (engl.: switched-mode operation) des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters umfassen. Ein solcher getakteter Betrieb kann zu abrupten Änderungen eines Stroms durch einen von dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter führen. Solche abrupten Änderungen können insbesondere dann auftreten, wenn einer von dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter von einem Ein-Zustand, in dem er einen Strom leitet, zu einem Aus-Zustand, in dem er sperrt, schaltet. Abrupte Änderungen eines Stroms durch einen von dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter können Spannungsspitzen mit einem Spannungspegel, der viel höher ist als die Versorgungsspannung, in parasitären Induktivitäten von Leitern induzieren, die den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter der Halbbrücke verbinden und die die Halbbrücke mit den Versorgungsknoten verbinden.
  • Bei einer gegebenen parasitären Induktivität ist der Spannungspegel der Spannungsspitze umso höher je abrupter sich der Strom ändert. Um die Spannungsspitzen unterhalb eines bestimmten Spannungspegels zu halten, kann eine Schaltgeschwindigkeit des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters reduziert werden. Dies erhöht allerdings Schaltverluste, was in vielen Fällen höchst unerwünscht ist. Eine andere Option wäre, den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter mit einer Sperrspannungsfestigkeit zu realisieren, die hoch genug ist, um den Spannungsspitzen standzuhalten. Das Erhöhen der Sperrspannungsfestigkeit erhöht allerdings unvermeidlich den Einschaltwiderstand, welches der elektrische Widerstand des jeweiligen Schalters im Ein-Zustand ist, und damit die Leitungsverluste. Üblicherweise erhöht das Erhöhen der Sperrspannungsfestigkeit auch die Schaltverluste, welches Verluste sind, die mit dem Einschalten und dem Ausschalten des Transistorbauelements verbunden sind. Dies ist ebenfalls unerwünscht.
  • Ein Beispiel betrifft eine elektronische Schaltung mit wenigstens einer Schalt-Schaltung. Die wenigstens eine Schalt-Schaltung umfasst ein Spannungsklemmelement und eine Halbbrücke mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter, wobei der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter jeweils einen Steuerknoten und eine Laststrecke aufweisen und wobei die Laststrecken des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters in Reihe geschaltet sind. Das Spannungsklemmelement ist derart parallel zu der Halbbrücke geschaltet, dass eine erste Gesamtinduktivität von ersten Induktivitäten von ersten Leitern, die den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter verbinden und die das Spannungsklemmelement mit der Halbbrücke verbinden, geringer ist als 20 Nanohenry (nH).
  • Beispiele sind unten anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis dieser Prinzipien notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
    • 1 zeigt eine elektronische Schaltung mit einer Schalt-Schaltung gemäß einem Beispiel;
    • 2 zeigt Zeitdiagramme, die Verläufe von Signalen zeigen, die in der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung während des Betriebs auftreten;
    • 3A bis 3C veranschaulichen verschiedene Beispiele, wie elektronische Schalter in der in 1 gezeigten Schalt-Schaltung realisiert werden können;
    • 4 zeigt ein Beispiel einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern eines elektronischen Schalters in der in 1 gezeigten Halbbrückenschaltung;
    • 5 zeigt eine elektronische Schaltung mit einer Schalt-Schaltung gemäß einem weiteren Beispiel;
    • 6 zeigt eine Modifikation der in 5 gezeigten elektronischen Schaltung;
    • 7 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Beispiels eines Spannungsklemmelements, das in der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung verwendet wird;
    • 8 zeigt eine horizontale Schnittansicht gemäß einem Beispiel des in 7 gezeigten Spannungsklemmelements;
    • 9A und 9B zeigen ein Beispiel eines Moduls, in dem eine Schalt-Schaltung des in 1 gezeigten Typs integriert ist;
    • 10 zeigt ein Beispiel eines Moduls, in dem eine Schalt-Schaltung des in 6 gezeigten Typs integriert ist;
    • 11 zeigt ein Beispiel einer elektronischen Schaltung, die mehrere Schalt-Schaltungen umfasst, und
    • 12 veranschaulicht ein Modul, in dem mehrere Schalt-Schaltungen integriert sind.
  • In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung Beispiele, wie die Erfindung verwendet und realisiert werden kann. Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.
  • 1 zeigt eine elektronische Schaltung mit einer Schalt-Schaltung gemäß einem Beispiel. Die Schalt-Schaltung umfasst eine Halbbrücke und ein Klemmelement 2. Die Halbbrücke umfasst einen ersten elektronischen Schalter 11, der nachfolgend als High-Side-Schalter bezeichnet wird, einen zweiten elektronischen Schalter 12, der nachfolgend als Low-Side-Schalter bezeichnet wird, und ein Klemmelement 2. Der High-Side-Schalter 11 und der Low-Side-Schalter 12 umfassen jeweils einen Steuerknoten 111 , 112 und eine Laststrecke zwischen einem ersten Lastknoten 121 , 122 und einem zweiten Lastknoten 131 , 132 . Die Laststrecken des High-Side-Schalters 11 und des Low-Side-Schalters 12 sind in Reihe geschaltet. Ein Schaltungsknoten, an dem die Laststrecke 121-131 des High-Side-Schalters 11 und die Laststrecke 122-132 des Low-Side-Schalters 12 angeschlossen sind, bildet einen Ausgang OUT der Halbbrücke.
  • Der High-Side-Schalter 11 ist dazu ausgebildet, ein erstes Ansteuersignal SDRV1 an dem Steuerknoten 111 zu erhalten, und der Low-Side-Schalter 12 ist dazu ausgebildet, ein zweites Ansteuersignal SDRV2 an seinem Steuerknoten 112 zu erhalten. Die ersten und zweiten Ansteuersignale SDRV1 , SDRV2 sind jeweils dazu ausgebildet, den jeweiligen Schalter 11 , 12 ein- oder auszuschalten. Eine Ansteuerschaltung, die diese ersten und zweiten Ansteuersignale SDRV1 , SDRV2 erzeugt, ist in 1 nicht gezeigt. Ein Beispiel einer Ansteuerschaltung ist unten anhand von 4 erläutert.
  • Das Klemmelement 2 ist parallel zu der Halbbrücke geschaltet. Genauer, dass Klemmelement 2 ist parallel zu einer Reihenschaltung geschaltet, die die Laststrecke 121-131 des High-Side-Schalters 11 und die Laststrecke 122-132 des Low-Side-Schalters 12 umfasst. Außerdem ist die Halbbrücke 11 , 12 an einen Eingang der elektronischen Schaltung gekoppelt. Der Eingang umfasst einen ersten Eingangsknoten IN1 und eine zweiten Eingangsknoten IN2 und ist dazu ausgebildet, eine Eingangsspannung VIN zu erhalten. Optional ist ein Kondensator 5 zwischen den ersten Eingangsknoten IN1 und den zweiten Eingangsknoten IN2 geschaltet. Dieser Kondensator 5 wird nachfolgend als Eingangskondensator bezeichnet, kann jedoch auch als Zwischenkreiskondensator bezeichnet werden.
  • Gemäß einem Beispiel ist das Spannungsklemmelement 2 derart parallel zu der Halbbrücke geschaltet, dass eine parasitäre Gesamtinduktivität von Leitern, die den High-Side-Schalter 11 und den Low-Side-Schalter 12 der Halbbrücke verbinden und die das Spannungsklemmelement 2 mit der Halbbrücke verbinden, geringer ist als 20 Nanohenry (nH), geringer als 10 nH oder sogar 5 nH. Diese parasitäre Gesamtinduktivität wird nachfolgend als erste parasitäre Induktivität bezeichnet und ist in dem in 1 gezeigten Schaltbild durch die Induktivität LP3 repräsentiert. Leiter, die den High-Side-Schalter 11 mit dem Low-Side-Schalter 12 und das Spannungsklemmelement 2 mit der Halbbrücke verbinden, sind in dem in 1 gezeigten Schaltbild schematisch durch Leitungsverbindungen dargestellt. Gemäß einem Beispiel, und wie in 1 gezeigt, umfassen diese Leiter einen ersten Leiter 31 , der das Spannungsklemmelement 2 mit dem ersten Lastknoten 121 des ersten elektronischen Schalters 11 verbindet, einen zweiten Leiter 32 , der das Spannungsklemmelement 2 mit dem zweiten Lastknoten 132 des Low-Side-Schalters 12 verbindet, und einen dritten Leiter 33 , der den zweiten Lastknoten 131 des High-Side-Schalters 11 und den ersten Lastknoten 122 des Low-Side-Schalters 12 verbindet. Diese Gruppe von Leitern 31-33 wird nachfolgend als erste Gruppe von Leitern bezeichnet.
  • In dem in 1 gezeigten Schaltbild sind die Leiter 31-33 der ersten Gruppe schematisch durch Leitungsverbindungen dargestellt. Bei einer Realisierung der elektronischen Schaltung kann jeder dieser Leiter 31 - 33 jeweils wenigstens eines der folgenden umfassen: einen Bonddraht; eine Kontaktfläche auf einem Halbleiterchip; eine Bahn auf einer Leiterplatte; einen Flachleiter; oder eine Metallisierung auf einem isolierenden Substrat. Außerdem kann eine beliebige Art von elektrisch leitendem Material dazu verwendet werden, diese Leiter 31-33 zu realisieren. Beispiele von elektrisch leitenden Materialien umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt) und Legierungen, die aus diesen Elementen gebildet sind. Beispiele, wie diese Leiter 31 - 33 realisiert werden können, sind weiter unten erläutert.
  • Eine erste parasitäre Induktivität von weniger als 20 nH kann bei einer Realisierung der elektronischen Schaltung dadurch erreicht werden, dass das Klemmelement 2 physikalisch nahe an der Halbbrücke 11 , 12 angeordnet wird, um kurze Leiter 31-33, und damit eine niedrige erste parasitäre Induktivität LP3 von weniger als 20 nH zu haben.
  • In 1 repräsentiert LP4 eine parasitäre Gesamtinduktivität einer zweiten Gruppe von Leitern, die den Eingang IN1, IN2 oder den Eingangskondensator 5 mit der Schalt-Schaltung, insbesondere mit dem Spannungsklemmelement 2 verbinden. Diese Gesamtinduktivität wird nachfolgend als zweite parasitäre Induktivität bezeichnet. Bezugnehmend auf 1 umfasst die zweite Gruppe von Leitern einen vierten Leiter 41 , der den ersten Eingangsknoten IN1 mit dem Spannungsklemmelement 2 verbindet, und einen fünften Leiter 42 , der den zweiten Eingangsknoten IN2 mit dem Spannungsklemmelement 2 verbindet. Bezüglich der Realisierung dieser Leiter 41-42 der zweiten Gruppe gilt alles, was oben im Zusammenhang mit den Leitern 31-33 der ersten Gruppe ausgeführt wurde, entsprechend.
  • Gemäß einem Beispiel ist die Schalt-Schaltung mit der Halbbrücke 11 , 12 und dem Klemmelement 2 so an den Eingang IN1, IN2 oder den Eingangskondensator 5 angeschlossen, dass die zweite parasitäre Induktivität LP4 größer ist als die erste parasitäre Induktivität LP3 . Gemäß einem Beispiel ist ein Verhältnis LP4/LP3 zwischen der zweiten parasitären Induktivität LP4 und der ersten parasitären Induktivität LP3 größer als 5, größer als 10 oder größer als 20.
  • 2 zeigt Zeitdiagramme, die die Funktion des Spannungsklemmelements 2 in der Schalt-Schaltung veranschaulichen. 2 zeigt insbesondere Zeitdiagramme des ersten Ansteuersignals SDRV1 , das durch den Steuerknoten 111 des High-Side-Schalters 11 erhalten wird, einer Spannung V2 über dem Spannungsklemmelement 2, einer Spannung V11 über dem High-Side-Schalter 11 , eines Stroms I11 durch den High-Side-Schalter 11 und eines Stroms I2 durch das Spannungsklemmelement 2. Das erste Ansteuersignal SDRV1 hat einen von einem Ein-Pegel, der den High-Side-Schalter 11 einschaltet, und einem Aus-Pegel, der den High-Side-Schalter 11 ausschaltet. Lediglich zur Veranschaulichung ist bei dem in 2 gezeigten Beispiel der Ein-Pegel als hoher Signalpegel gezeichnet und der Aus-Pegel als niedriger Signalpegel gezeichnet. Der niedrige Signalpegel kann Null oder negativ sein.
  • Die in 2 gezeigten Zeitdiagramme beginnen zu einem Zeitpunkt, zu dem der High-Side-Schalter 11 eingeschaltet wurde, so dass ein Strom I11 durch den High-Side-Schalter 11 größer als Null ist und die Spannung V1 über der Halbbrücke im Wesentlichen gleich der Eingangsspannung VIN ist. In 2 bezeichnet t1 einen Zeitpunkt, zu dem ein Signalpegel des ersten Ansteuersignals SDRV1 von dem Ein-Pegel zu dem Aus-Pegel wechselt, um den High-Side-Schalter 11 auszuschalten. Ab diesem ersten Zeitpunkt t1 beginnt der Strom I11 durch den High-Side-Schalter 11 , der nachfolgend als High-Side-Strom bezeichnet wird, gegen Null abzusinken. Diese Änderung des High-Side-Stroms I11 ist verbunden mit induzierten Spannungen V3 (vgl. 1) in der ersten parasitären Induktivität LP3 und V4 in der zweiten parasitären Induktivität LP4 . Die in der ersten parasitären Induktivität LP3 induzierte Spannung V3 ist gegeben durch V 3 = L P 3 ⋅ d I 1 / d t
    Figure DE102017117888A1_0001
    wobei LP3 die erste parasitäre Induktivität und dI1/dt eine Änderung des High-Side-Stroms I1 über der Zeit bezeichnet. Wie anhand von Gleichung 1 ersichtlich ist, ist der Spannungspegel der induzierten Spannung V3 proportional zu der ersten parasitären Induktivität LP3 und proportional zu der Änderung dI1/dt des High-Side-Stroms I11 . Die Änderung dI1/dt des High-Side-Stroms ist abhängig von einer Schaltgeschwindigkeit des High-Side-Schalters 11 , das heißt, abhängig davon, wie schnell der High-Side-Schalter 11 vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand schaltet. Ein Beispiel, wie die Schaltgeschwindigkeit des High-Side-Schalters 11 oder der Low-Side-Schalters 12 eingestellt werden kann, ist weiter unten anhand von 4 erläutert.
  • Wenn der High-Side-Schalter 11 ausschaltet, bewirkt die in der zweiten parasitären Induktivität LP4 induzierte Spannung, dass die Spannung V2 über dem Spannungsklemmelement 2 über die Eingangsspannung VIN ansteigt. Wenn die Spannung V2 über dem Klemmelement 2 eine Durchbruchsspannung des Klemmelements 2 erreicht, beginnt das Klemmelement 2 einen Strom zu leiten, und klemmt dadurch die Spannung V2 auf einen Spannungspegel, der im Wesentlichen gegeben ist durch die Durchbruchsspannung des Klemmelements 2. In 2 bezeichnet t2 den Zeitpunkt, zu dem das Klemmelement 2 beginnt zu leiten, und t3 bezeichnet den Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 über der Halbbrücke auf unter die Durchbruchspannung des Klemmelements 2 abgesunken ist, so dass der Strom durch das Klemmelement 2 Null wird.
  • 2 veranschaulicht schematisch die Zeitdiagramme der Spannungen V11 , V2 und der Ströme I11 , I2. Oszillationen, die aus parasitären Effekten resultieren, können sich diesen Spannungen und Strömen überlagern. Solche Oszillationen sind in 2 allerdings nicht gezeigt.
  • Das Klemmen der Spannung V2 über dem Klemmelement 2 hat den Effekt, dass die Spannung V1 über der Halbbrücke 11 , 12 auf einen Spannungspegel geklemmt wird, der im Wesentliche gegeben ist durch die Durchbruchsspannung des Klemmelements 2 plus der Spannung V3, die durch die Änderung des High-Side-Stroms in der ersten parasitären Induktivität LP3 induziert wird. Da das Klemmelement 2 nahe der Halbbrückenschaltung mit dem High-Side-Schalter 11 und dem Low-Side-Schalter 12 angeordnet ist, so dass die erste parasitäre Induktivität LP3 geringer ist als 20 nH, ist die Spannung V1 über der Halbbrücke nur leicht höher als die Klemmspannung, auch dann, wenn der High-Side-Schalter 11 rasch ausschaltet, was zu abrupten Änderungen des High-Side-Stroms I11 führen kann. Damit schützt das Klemmelement 2 die Halbbrücke mit dem High-Side-Schalter 11 und dem Low-Side-Schalter 12 gegen Überspannungen, sogar bei hohen Schaltgeschwindigkeiten des High-Side-Schalters 11 und des Low-Side-Schalters 12. Damit kann die Schaltgeschwindigkeit des High-Side-Schalters 11 und des Low-Side-Schalters 12 an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden und muss nicht daran angepasst werden, in den parasitären Induktivitäten induzierte Spannungen gering zu halten, um die Halbbrücke gegen Überspannungen zu schützen.
  • Gemäß einem Beispiel umfasst das Spannungsklemmelement 2 eine Diode mit einer Sperrspannungsfestigkeit, die höher ist als die Eingangsspannung VIN und die in der Lage ist, wiederholt in einem Lawinenbetrieb betrieben zu werden. Lediglich zur Veranschaulichung ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel das Spannungsklemmelement 2 als Diode gezeichnet. Ein Kathodenknoten 22 der Diode ist an den ersten Eingangsknoten IN1 angeschlossen, an dem das erste Versorgungspotential verfügbar ist, und ein Anodenknoten 21 ist an den zweiten Eingangsknoten IN2 angeschlossen, an dem ein zweites Versorgungspotential verfügbar ist. Die Eingangsspannung VIN ist die Differenz zwischen dem ersten Versorgungspotential und dem zweiten Versorgungspotential. Außerdem ist das an dem ersten Eingangsknoten IN1 verfügbare erste Versorgungspotential höher als das an dem zweiten Eingangsknoten IN2 verfügbare zweite Versorgungspotential.
  • Der High-Side-Schalter 11 und der Low-Side-Schalter 12 sind bei dem in 1 gezeigten Beispiel nur schematisch dargestellt. Diese elektronischen Schalter 11 , 12 können in verschiedener Weise realisiert werden. Einige Beispiele sind in den 3A bis 3C veranschaulicht. In den 3A bis 3C bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen beliebigen von dem High-Side-Schalter 11 und dem Low-Side-Schalter 12 und die Bezugszeichen 11, 12 und 13 bezeichnen den Steuerknoten, den ersten Lastknoten bzw. den zweiten Lastknoten des elektronischen Schalters 1. Bezugnehmend auf 3A kann der elektronische Schalter 1 als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) realisiert werden. Bei Realisierung mit einem IGBT bildet ein Gateknoten des IGBT den Steuerknoten 11, ein Kollektorknoten des IGBT bildet den ersten Lastknoten 12 und ein Emitterknoten des IGBT bildet den zweiten Lastknoten 13. Optional umfasst der IGBT eine integrierte Diode (die in 3A in gestrichelten Linien dargestellt ist) die zwischen den ersten Lastknoten 12 und den zweiten Lastknoten 13 geschaltet ist.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 3B gezeigt ist, umfasst der elektronische Schalter 1 einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Bei Realisierung mit einem MOSFET bildet ein Gateknoten des MOSFET den Steuerknoten 11 des elektronischen Schalters 1, bildet ein Drainknoten des MOSFET den ersten Lastknoten 12 und bildet ein Sourceknoten den zweiten Lastknoten 13. Gemäß noch einem weiteren Beispiel, das in 3C gezeigt ist, umfasst der elektronische Schalter 1 einen JFET (Junction Field-Effect Transistor) oder einen HEMT (High Electron Mobility Transistor). Bei Realisierung mit einem JFET oder einem HEMT bildet ein Gateknoten des JFET oder HEMT den ersten Steuerknoten 11, bildet ein Drainknoten den ersten Lastknoten 12 und bildet ein Sourceknoten den zweiten Lastknoten 13.
  • Gemäß einem Beispiel wird dieselbe Art von elektronischer Schalter dazu verwendet, den High-Side-Schalter 11 und den Low-Side-Schalter 12 zu realisieren. Gemäß einem weiteren Beispiel werden verschiedene Arten von elektronischen Schalters dazu verwendet, den High-Side-Schalter 11 und den Low-Side-Schalter 12 zu realisieren. Außerdem können zwei oder mehr Transistorbauelemente parallel geschaltet werden, um den High-Side-Schalter 11 oder den Low-Side-Schalter 12 zu bilden. „parallel geschaltet“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Laststrecke der einzelnen Transistorbauelemente parallel geschaltet ist und dass die Steuerknoten der einzelnen Transistorbauelemente so verbunden sind, dass diese Transistorbauelemente dasselbe Ansteuersignal erhalten. Die Transistorbauelemente, die parallel geschaltet sind, können Transistorbauelemente desselben Typs sein. Das heißt, zwei oder mehr IGBTs, MOSFETs, JFETs oder HEMTs können parallel geschaltet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass Transistorbauelemente verschiedener Arten parallel geschaltet sind, so dass beispielsweise wenigstens ein MOSFET parallel zu wenigstens einem IGBT geschaltet ist. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Andere Kombinationen können ebenso verwendet werden.
  • Bezugnehmend auf 1 ist optional ein erstes Freilaufelement 51 parallel zu der Laststrecke 121-131 des High-Side-Schalters 11 geschaltet und ist ein zweites Freilaufelement 52 parallel zu der Laststrecke 122 -132 des Low-Side-Schalters 12 geschaltet. Gemäß einem Beispiel sind die Freilaufelemente 51, 52 diskrete Bauelemente zusätzlich zu dem High-Side-Schalter 11 und dem Low-Side-Schalter 12 . Gemäß einem weiteren Beispiel sind die Freilaufelemente 51, 52 in dem High-Side-Schalter 11 oder dem Low-Side-Schalter 12 integriert. Wenn beispielsweise der High-Side-Schalter 11 und der Low-Side-Schalter 12 MOSFETs sind, kann eine interne Bodydiode des MOSFET als jeweiliges Freilaufelement verwendet werden.
  • Ein Beispiel einer Ansteuerschaltung 6, die in der Lage ist, den High-Side-Schalter 11 oder den Low-Side-Schalter 12 anzusteuern, ist in 4 gezeigt. 4 zeigt eine Ansteuerschaltung 6 und einen elektronischen Schalter 1. Der in 4 gezeigte elektronische Schalter 1 repräsentiert einen beliebigen des High-Side-Schalters 11 und des Low-Side-Schalters 12 . Zwei Ansteuerschaltungen des in 4 gezeigten Typs können in der elektronischen Schaltung realisiert sein, eine zum Ansteuern des High-Side-Schalters 11 und eine zum Ansteuern des Low-Side-Schalters 12 . Lediglich zur Veranschaulichung ist der elektronische Schalter 1 bei dem in 4 gezeigten Beispiel als IGBT gezeichnet. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Eine beliebige andere Art von elektronischer Schalter kann anstatt eines IGBT ebenfalls verwendet werden.
  • Der in 4 gezeigte IGBT 1, ebenso wie eine beliebige andere Art von Transistorbauelement, das anhand der 3A bis 3C erläutert wurde, ist ein spannungsgesteuertes Bauelement. In diesem Fall ist das Ansteuersignal SDRV eine Spannung zwischen dem Steuerknoten 11 und dem zweiten Lastknoten 13. Das heißt, das Ansteuersignal SDRV ist bei einem IGBT eine Spannung zwischen dem Gateknoten 11 und dem Emitterknoten 13 (ist bei einem MOSFET eine Spannung zwischen dem Gateknoten 11 und dem Sourceknoten 13 und ist bei einem HEMT oder JFET eine Spannung zwischen dem Gateknoten 11 und dem Sourceknoten 13).
  • Bezugnehmend auf 4 umfasst die Ansteuerschaltung 5 einen ersten Treiber 51 und einen zweiten Treiber 52 , die jeweils zwischen den Steuerknoten 11 und den zweiten Lastknoten 13 geschaltet sind. Der erste Treiber 51 umfasst eine erste Spannungsquelle 531 , einen ersten elektronischen Schalter 511 und einen optionalen ersten Widerstand 521 , der in Reihe zwischen den Steuerknoten 11 und den zweiten Lastknoten 13 des elektronischen Schalters 1 geschaltet ist. Der zweite Treiber 52 umfasst eine optionale zweite Spannungsquelle 532 , einen zweiten elektronischen Schalter 512 und einen optionalen zweiten Widerstand, der in Reihe zu dem Steuerknoten 11 und den zweiten Lastknoten 13 des elektronischen Schalters 1 geschaltet ist. Der erste Treiber 51 wird aktiviert, wenn der erste Schalter 511 eingeschaltet wird, und deaktiviert, wenn der erste Schalter 511 ausgeschaltet wird. Der zweite Treiber 52 wird aktiviert, wenn der zweite Schalter 512 eingeschaltet wird und deaktiviert, wenn der zweite Schalter 512 ausgeschaltet wird. Die ersten und zweiten Treiber 51 , 52 werden durch eine Steuerschaltung 55 abhängig von einem Eingangssignal SIN aktiviert und deaktiviert. Das Eingangssignal SIN zeigt an, ob es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 1 einzuschalten oder auszuschalten. Wenn das Eingangssignal SIN anzeigt, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 1 einzuschalten, aktiviert die Steuerschaltung 55 den ersten Treiber 51 durch Einschalten des ersten elektronischen Schalters 511 und deaktiviert die Steuerschaltung 55 den zweiten Treiber 52 durch Ausschalten des zweiten elektronischen Schalters 512 . Wenn der erste Treiber 51 aktiviert wird, ist das Ansteuersignal SDRV im Wesentlichen gleich der Spannung, die durch die Spannungsquelle 531 des ersten Treibers 51 bereitgestellt wird. Wenn das Eingangssignal SIN anzeigt, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 1 auszuschalten, deaktiviert die Steuerschaltung 55 den ersten Treiber 51 durch Ausschalten des ersten Schalters 511 und aktiviert die Steuerschaltung 55 den zweiten Treiber 52 durch Einschalten des zweiten Schalters 512 . Wenn der zweite Treiber aktiv ist, ist das Ansteuersignal SDRV im Wesentlichen gleich Null oder, wenn der zweite Treiber 52 mit der Spannungsquelle 532 realisiert ist, dem invertierten Spannungspegel -V52 der durch die Spannungsquelle 532 erzeugten Spannung.
  • Das Eingangssignal SIN kann durch eine beliebige Art von Controller, wie beispielsweise einem Mikrocontroller, abhängig von einer gewünschten Signalform einer Ausgangsspannung am Ausgang OUT der Halbbrücke erzeugt werden.
  • Ein spannungsgesteuerter elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein beliebiges der in den 3A bis 3C gezeigten Transistorbauelemente, umfasst eine interne Kapazität (die üblicherweise als Gate-Emitter- oder Gate-Source-Kapazität bezeichnet wird) zwischen dem Steuerknoten 11 und dem zweiten Lastknoten 13. Diese interne Kapazität ist bei dem in 4 gezeigten Beispiel durch einen Kondensator veranschaulicht, der zwischen den Gateknoten 11 und den zweiten Lastknoten 13 geschaltet ist. Der elektronische Schalter 1 schaltet ein, wenn diese interne Kapazität so geladen wurde, dass die Spannung über der internen Kapazität höher ist als eine Schwellenspannung des elektronischen Schalters 1, und schaltet aus, wenn diese interne Kapazität so entladen wurde, dass eine Spannung über diesem internen Kondensator unterhalb der Schwellenspannung ist. Je schneller diese interne Kapazität geladen wird, umso schneller schaltet der elektronische Schalter 1 ein, und je schneller der interne Kondensator entladen wird, umso schneller schaltet der elektronische Schalter 1 aus. Um die Schaltgeschwindigkeit beim Einschalten anzupassen, kann ein Widerstandswert des ersten optionalen Widerstands 521 geeignet eingestellt werden. Entsprechend kann die Schaltgeschwindigkeit beim Ausschalten durch geeignetes Einstellen eines Widerstandswerts des zweiten optionalen Widerstands 522 eingestellt werden. Allgemein nimmt die Schaltgeschwindigkeit zu, wenn der Widerstandswert dieser Widerstände 521, 522 abnimmt.
  • 5 zeigt eine elektronische Schaltung gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel ist ein Gleichrichterelement 7 in Reihe zu dem Klemmelement 2 geschaltet. Gemäß einem Beispiel umfassen sowohl das Klemmelement 2 als auch das Gleichrichterelement 7 eine Diode. In diesem Fall sind die Diode des Klemmelements 2 und Diode des Gleichrichterelements 7 in einer antiseriellen Konfiguration verschaltet. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass ein Anodenknoten 71 des Gleichrichterelements 7 an den Anodenknoten 21 des Klemmelements 2 angeschlossen ist. Ein Kathodenknoten 72 des Gleichrichterelements 7 ist in diesem Beispiel an den zweiten Eingangsknoten IN2 angeschlossen. Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 6 gezeigt ist, sind die Diode des Klemmelements 2 und die Diode des Gleichrichterelements 7 dadurch in einer antiseriellen Konfiguration verschaltet, dass der Kathodenknoten 72 des Gleichrichterelements 7 an den Kathodenknoten 22 des Klemmelements 2 angeschlossen ist. Der Anodenknoten 71 des Gleichrichterelements 7 ist bei diesem Beispiel an den ersten Eingangsknoten IN1 angeschlossen.
  • Gemäß einem Beispiel umfasst das Gleichrichterelement eine Schottkydiode, wie beispielsweise eine Silizium- oder Siliziumkarbid-Schottkydiode. Gemäß einem Beispiel ist eine Sperrspannungsfestigkeit dieser Schottkydiode unabhängig von der Eingangsspannung VIN und beispielsweise geringer als 100V oder sogar geringer als 50V, während die Sperrspannungsfestigkeit des Klemmelements höher ist als die Eingangsspannung VIN . Abhängig von der speziellen Anwendung, in der die Schalt-Schaltung mit der Halbbrücke 11 , 12 und dem Klemmelement 2 eingesetzt wird, kann die Eingangsspannung VIN aus einem Bereich zwischen einigen 100 Volt, wie beispielsweise 600 Volt, und einigen Kilovolt, wie beispielsweise 4 Kilovolt ausgewählt werden.
  • Gemäß einem Beispiel ist das Klemmelement 2 eine kombinierte Bipolar- und Schottkydiode, wie beispielsweisem eine MPS-(Merged PIN Schottky)-Diode. Diese Art von Diode umfasst integriert in einem Bauelement eine Bipolardiode parallel zu einer Schottkydiode. Eine vertikale Schnittansicht einer MPS-Diode ist schematisch in 7 veranschaulicht.
  • 7 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Abschnitts eines Halbleiterkörpers 200, in dem eine MPS-Diode integriert ist. Gemäß einem Beispiel ist der Halbleiterkörper 200 ein Siliziumkarbid-(SiC)-Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper umfasst eine erste Oberfläche 201. Die in 7 gezeigte vertikale Schnittansicht zeigt den Halbleiterkörper 200 in einer zu der ersten Oberfläche 201 senkrechten Schnittebene.
  • Die in dem Halbleiterkörper 200 integrierte MPS-Diode umfasst ein Basisgebiet 23 vom n-Typ und ein erstes Emittergebiet 24 vom n-Typ. Das erste Emittergebiet 24 grenzt an das Basisgebiet 23 und an eine der ersten Oberfläche 201 gegenüberliegende zweite Oberfläche 202 an. Das erste Emittergebiet 24 ist an den Kathodenknoten 22 angeschlossen oder bildet den Kathodenknoten 22 der MPS-Diode. Gemäß einem (nicht gezeigten) Beispiel ist eine Metallisierung auf dem ersten Emittergebiet 24 gebildet und bildet einen Ohm'schen Kontakt mit dem ersten Emittergebiet 24. In diesem Fall bildet die Metallisierung den Kathodenknoten 22 der MPS-Diode.
  • Bezugnehmend auf 7 umfasst die MPS-Diode wenigstens einen ersten Abschnitt 201 und wenigstens einen zweiten Abschnitt 202 . Der erste Abschnitt 201 und der zweite Abschnitt 202 umfassen jeweils einen Abschnitt des Basisgebiets 23 und des ersten Emittergebiets 24. In dem ersten Abschnitt 201 umfasst die MPS-Diode zusätzlich ein zweites Emittergebiet 25 vom p-Typ. Das zweite Emittergebiet 25 grenzt an das Basisgebiet 23 an und ist ohmsch an eine erste Metallisierung 26 auf der ersten Oberfläche 201 angeschlossen. In dem zweiten Abschnitt 202 erstreckt sich das Basisgebiet 23 zu der ersten Oberfläche 201, und ein Schottkykontakt ist zwischen dem Basisgebiet 23 und einer zweiten Metallisierung 27 auf der ersten Oberfläche 201 gebildet. Sowohl die erste Metallisierung 26 als auch die zweite Metallisierung 27 sind an den Anodenknoten 21 angeschlossen oder bilden den Anodenknoten 21 der MPS-Diode. Die in 6 gezeigte MPS-Diode umfasst eine Bipolardiode, die in dem ersten Abschnitt 201 durch die erste Metallisierung 26, das zweite Emittergebiet 25 und einen Abschnitt des Basisgebiets 23 gebildet ist, und eine Schottkydiode, die in dem zweiten Abschnitt 202 durch die zweite Metallisierung 27, einen Abschnitt des Basisgebiets 23 und einen Abschnitt des ersten Emittergebiets 24 gebildet ist. Die Bipolardiode und die Schottkydiode sind parallel geschaltet, indem ihnen das erste Emittergebiet 24 gemeinsam ist und indem die erste Metallisierung 26 und die zweite Metallisierung 27 an den Anodenknoten 21 angeschlossen sind.
  • Gemäß einem Beispiel umfasst die erste Metallisierung 26 wenigstens eines von einer Nickel-Aluminium-(NiAl)-Legierung, einer Aluminium-Kupfer-(AlCu)-Legierung, einer Aluminium-Silizium-Kupfer-(AlSiCu)-Legierung, Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al). Die zweite Metallisierung 27 umfasst gemäß einem Beispiel wenigstens eines von Titan (Ti), Molybdän (Mo), Molybdän-Nitrid (MoN) oder Titan-Nitrid (TiN). Gemäß einem Beispiel wird dieselbe Art von Metall für die erste und die zweite Metallisierung 26, 27 verwendet. Die oben im Zusammenhang mit der ersten Metallisierung 26 erläuterten Metalle oder Metalllegierungen können auch für die zweite Metallisierung verwendet werden, wenn eine Dotierungskonzentration des Basisgebiets 23 geringer ist als 1E18 cm-3, geringer ist als 1E17 cm-3 oder geringer ist als 1E16 cm-3. In diesem Fall bilden die Metalle oder Metalllegierungen, die mit dem zweiten Emittergebiet 25 des p-Typs einen Ohm'schen Kontakt bilden, mit dem Basisgebiet 23 einen Schottkykontakt.
  • Eine MPS-Diode des in 7 gezeigten Typs hat eine hohe Lawinenrobustheit. Das heißt, die MPS-Diode kann wiederholt in einem Lawinenbetrieb betrieben werden, ohne beschädigt oder zerstört zu werden. Die MPS-Diode arbeitet im Lawinenbetrieb, wenn eine Spannung zwischen den Anodenknoten 21 und den Kathodenknoten 22 angelegt wird, die einen pn-Übergang zwischen dem zweiten Emittergebiet 25 und dem Basisgebiet 23 in Sperrrichtung polt. Wenn ein Spannungspegel dieser Spannung einen Lawinendurchbruchspegel der MPS-diode erreicht, tritt an dem pn-Übergang ein Lawinendurchbruch auf, der bewirkt, dass die MPS-Diode einen Strom leitet, bis die Spannung unter den Lawinendurchbruchspegel absinkt. Der Lawinendurchbruch tritt an dem pn-Übergang beabstandet zu der ersten Oberfläche 201, das heißt, tief in dem Halbleiterkörper 200 auf. Dies macht die MPS-Diode geeignet, dem Lawinendurchbruch wiederholt standzuhalten.
  • Gemäß einem Beispiel sind das Klemmelement 2 und das Gleichrichterelement 7 in demselben Halbleiterkörper 200 integriert. Bezugnehmend auf 7 kann dies dadurch erreicht werden, dass ein Schottkykontakt zwischen dem Emittergebiet 24 und des n-Typs und dem Kathodenknoten 22 hergestellt wird. Das Herstellen eines solchen Schottkykontakts kann das Herstellen eines Schottkymetalls 73 auf dem Emittergebiet des n-Typs umfassen. Dieses Schottkymetall kann eines der oben anhand der zweiten Metallisierung erläuterten Metalle oder Metalllegierungen umfassen.
  • 7 zeigt nur einen Abschnitt der MPS-Diode. Die MPS-Diode kann mehrere Bauelementstrukturen des in 7 gezeigten Typs umfassen. Ein Beispiel ist in 8 gezeigt, die eine horizontale Schnittansicht einer MPS-Diode in einer Schnittebene A-A (vgl. 8) zeigt, die durch das zweite Emittergebiet 25 und angrenzende Gebiete des Basisgebiets 23 verläuft. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel umfasst die MPS-Diode mehrere zweite Emittergebiete 25, die durch Abschnitte des Basisgebiets 23 getrennt sind. Lediglich zur Veranschaulichung sind die zweiten Emittergebiete 25 bei dem in 8 gezeigten Beispiel rechteckförmig, was allerdings nur ein Beispiel ist. Die zweiten Emittergebiete 25 können ebenso mit einer beliebigen anderen Form, wie beispielsweise kreisförmig oder hexagonal realisiert sein.
  • Gemäß einem Beispiel ist die Schalt-Schaltung mit der Halbbrücke, den optionalen Freilaufelementen 51, 52 und dem Klemmelement 2 in einem Halbleitermodul integriert. Ein Beispiel eines Halbleitermoduls, in dem die Schalt-Schaltung integriert ist, ist in den 9A und 9B gezeigt. 9A zeigt eine Draufsicht auf das Modul und 9B zeigt eine vertikale Schnittansicht in einer Schnittebene B-B. In den 9A und 9B bezeichnen die Bezugszeichen (neben oder unterhalb der Bezugszeichen der einzelnen Merkmale des Moduls) solche Merkmale der Schalt-Schaltung, die durch die jeweiligen Merkmale des Moduls realisiert sind.
  • Bezugnehmend auf die 9A und 9B umfasst das Modul ein Substrat 60 mit einem isolierenden Träger 61 und mehreren Metallisierungen 62, 63, 64 auf dem Träger 61. Die einzelnen Metallisierungen 6, 63, 64 sind voneinander beabstandet. Gemäß einem Beispiel ist das Substrat 60 ein DCB-(Direct Copper Bonding)-Substrat. In diesem Beispiel umfasst der Träger 61 ein Keramikmaterial und die Metallisierungen 62, 63, 64 umfassen Kupfer. Außerdem umfasst das Modul einen ersten Halbleiterchip 711 , in dem der High-Side-Schalter 11 integriert ist, einen zweiten Halbleiterchip 712 , in dem der Low-Side-Schalter 12 integriert ist, einen dritten Halbleiterchip 72, in dem das Klemmelement 2 integriert ist, einen vierten Halbleiterchip 751 , in dem das erste Freilaufelement 51 integriert ist, und einen fünften Halbleiterchip 752 , in dem das zweite Freilaufelement 52 integriert ist. Die ersten und zweiten Halbleiterchips 711 , 712 haben jeweils ein Steuerpad 7111 , 7112 auf einer ersten Oberfläche, ein erstes Lastpad 7121 , 7122 (vgl. 9B) auf einer zweiten Oberfläche und ein zweites Lastpad 7131 , 7132 auf der ersten Oberfläche. Das Steuerpad 7111 , 7112 bildet den Steuerknoten 111 , 112 des in dem jeweiligen Halbleiterchip 711 , 712 integrierten elektronischen Schalters, das erste Lastpad 7121 , 7122 bildet den ersten Lastknoten 121 , 122 und das zweite Lastpad 7131 , 7132 bildet den zweiten Lastknoten 131 , 132 . Die ersten Lastpads 7121 , 7122 des ersten und zweiten Halbleiterchips 711 , 712 sind auf dem Substrat befestigt. Insbesondere ist das erste Lastpad 7121 des ersten Halbleiterchips 711 auf der ersten Metallisierung 62 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden, und das erste Lastpad 7122 des zweiten Halbleiterchips 712 ist auf der zweiten Metallisierung 63 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden. Das Befestigen der ersten Lastpads 7121 , 7122 auf den ersten und zweiten Metallisierungen 62, 63 kann das Befestigen dieser ersten und zweiten Lastpads 7121 , 7122 auf der jeweilige Metallisierung durch Löten, Schweißen oder Kleben umfassen. Allerdings sind Lotschichten, Schweißschichten oder Klebeschichten in 9B nicht gezeigt.
  • Der dritte Halbleiterchip 72, in dem das Klemmelement 2 integriert ist, umfasst ein erstes Lastpad 721 auf einer ersten Oberfläche und ein zweites Lastpad 722 auf einer zweiten Oberfläche. Das erste Lastpad 721 bildet den Anodenknoten 21 des Klemmelements 2 und das zweite Lastpad 722 bildet den Kathodenknoten 22 des Klemmelements 2. Bei dem in den 9A und 9B gezeigten Beispiel ist das zweite Lastpad 722 des dritten Halbleiterchips 22 auf der erste Metallisierung 62 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden, so dass über die erste Metallisierung 62 der Kathodenknoten 22 des in dem dritten Halbleiterchip 72 integrierten Klemmelements und der erste Lastknoten 121 des in dem ersten Halbleiterchip 711 integrierten High-Side-Schalters 11 elektrisch verbunden sind.
  • Der vierte und fünfte Halbleiterchip 751 , 752 , in dem das erste Freilaufelement 51 bzw. das zweite Freilaufelement 52 integriert ist, umfasst jeweils ein erstes Lastpad 7511 , 7512 auf einer ersten Oberfläche und ein zweites Lastpad (in den 9A und 9B nicht sichtbar) auf einer zweiten Oberfläche. Das erste Lastpad 7511 , 7512 bildet einen ersten Lastknoten 511 , 512 (vgl. 1) des jeweiligen Freilaufelements 51 , 52, und das zweite Lastpad bildet einen zweiten Lastknoten 521 , 522 . Gemäß einem Beispiel sind die Freilaufelemente 51 , 52 Dioden. Bei diesem Beispiel ist der erste Lastknoten 511 , 512 ein Anodenknoten und der zweite Lastknoten 521 , 522 ist ein Kathodenknoten. Bei dem in 9A gezeigten Beispiel ist das zweite Lastpad des vierten Halbleiterchips 751 auf der ersten Metallisierung 62 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden, so dass über die zweite Metallisierung 62 der zweite Lastknoten 521 des in dem vierten Halbleiterchip 751 integrierten Freilaufelements 51 elektrisch mit dem ersten Lastknoten 121 des in dem ersten Halbleiterchip 711 integrierten High-Side-Schalters 11 verbunden ist. Außerdem ist das zweite Lastpad des fünften Halbleiterchips 752 auf der zweiten Metallisierung 63 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden, so dass über die zweite Metallisierung 63 der zweite Lastknoten 522 des zweiten Freilaufelements 52 elektrisch mit dem ersten Lastknoten 122 des in dem zweiten Halbleiterchip 712 integrierten Low-Side-Schalters 12 verbunden ist.
  • Das Modul umfasst außerdem mehrere Leiter. Lediglich zur Veranschaulichung sind diese Leiter bei dem in 9A gezeigten Beispiel als Bonddrähte gezeichnet. Solche Bonddrähte sind in 9A durch fette Linien ohne Bezugszeichen dargestellt. Bei einigen Beispielen sind mehrere Bonddrähte parallel zwischen dieselben Kontaktpads oder Metallisierungen geschaltet. Das Verwenden von mehreren parallelen Bonddrähten kann helfen, den elektrischen Widerstand und die parasitäre Induktivität zu reduzieren. Das Vorsehen von mehreren parallelen Bonddrähten ist jedoch nur ein Beispiel. Anstelle von mehreren parallelen Bonddrähten kann auch nur ein Bonddraht verwendet werden. Alternativ kann anstelle von einem oder mehreren Bonddrähten ein Flachleiter, ein Kupferclip oder ein „Ribbon Bonding“ verwendet werden.
  • Bezugnehmend auf 9A ist das zweite Lastpad 7131 des ersten Halbleiterchips 711 , das den zweiten Lastknoten 131 des High-Side-Schalters 11 bildet, an das erste Lastpad 7511 des vierten Halbleiterchips 751 angeschlossen, um den zweiten Lastknoten 131 des High-Side-Schalters 11 mit dem ersten Lastknoten 511 des ersten Freilaufelements 51 zu verbinden. Entsprechend ist das zweite Lastpad 7131 des zweiten Halbleiterchips 711 elektrisch an das erste Lastpad 7511 des fünften Halbleiterchips 752 angeschlossen, um den zweiten Lastknoten 132 des Low-Side-Schalters 12 mit dem ersten Lastknoten 512 des zweiten Freilaufelements 52 zu verbinden. Diese elektrischen Verbindungen sind bei dem in 9A gezeigten Beispiel durch mehrere Bonddrähte gebildet. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Eine beliebige andere Art von Leiter kann ebenso verwendet werden, um diese Pads elektrisch zu verbinden.
  • Bezugnehmend auf 9A umfasst das Modul außerdem einen Eingang, einen Ausgang und Steuerports. Jeder dieser Ports kann durch einen Flachleiter gebildet sein, der aus einem Gehäuse 9 des Moduls herausragt. Das Gehäuse ist in den 9A und 9B in gestrichelten Linien dargestellt. Das Gehäuse überdeckt das Substrat 60 und die Halbleiterchips 711 , 712 , 72, 751 , 752 . Gemäß einem Beispiel ist der Träger 61 des Substrats 60 an einer Oberfläche, die den Halbleiterchips abgewandt ist, durch das Gehäuse 9 nicht bedeckt, wodurch es möglich ist, das Substrat 60 direkt auf einem Kühlelement (in den Zeichnungen nicht gezeigt) zu befestigen. Gemäß einem weiteren Beispiel ist das Substrat 60 vollständig umgossen, und damit ebenfalls durch das Gehäuse bedeckt.
  • Bezugnehmend auf 9A umfasst das Modul einen ersten Eingangsport 81 und einen zweiten Eingangsport 82, die den ersten Eingangsknoten IN1 bzw. den zweiten Eingangsknoten IN2 bilden. Bei dem in 9A gezeigten Beispiel umfassen der erste Eingangsport 81 und der zweite Eingangsport 82 jeweils zwei Flachleiter. Die Flachleiter, die den ersten Eingangsknoten 81 bilden, sind elektrisch an die erste Metallisierung 62 angeschlossen und die Flachleiter, die den zweiten Eingangsknoten bilden, sind elektrisch an eine dritte Metallisierung 64 angeschlossen. Das Modul umfasst außerdem einen Ausgangsport 83, der durch einen weiteren Flachleiter gebildet ist. Dieser Ausgangsport 83 ist elektrisch an die zweite Metallisierung 63 angeschlossen. Wie in 9A gezeigt, umfassen die elektrischen Verbindungen zwischen einem dieser Ports und einer dieser Metallisierungen beispielsweise jeweils einen oder mehrere Bonddrähte.
  • Bezugnehmend auf 9A umfasst das Modul außerdem ein erstes Paar von Steuerports 841 , 851 und ein zweites Paar von Steuerports 842 , 852 . Diese Paare umfassen jeweils einen ersten Steuerport 841 , 842 und einen zweiten Steuerport 851 , 852 . Das erste Paar von Steuerports 841 , 851 dient dazu, ein Ansteuersignal für den High-Side-Schalter 11 zu erhalten, und das zweite Paar von Steuerports 842 , 852 dient dazu, das Ansteuersignal für den Low-Side-Schalter 12 zu erhalten. Der erste Steuerport 841 des ersten Paars ist an das Steuerpad 7111 des ersten Halbleiterchips 711 angeschlossen und des zweite Steuerpad 851 des ersten Paars ist elektrisch an das zweite Lastpad 7131 des ersten Halbleiterchips 711 angeschlossen. Entsprechend ist das erste Steuerpad 842 des zweiten Paars elektrisch an das Steuerpad 7112 des zweiten Halbleiterchips 712 angeschlossen und ist das zweite Steuerpad 852 des zweiten Paars an das zweite Lastpad 7132 des zweiten Halbleiterchips 712 angeschlossen. Wie in 9A gezeigt umfassen die elektrischen Verbindungen zwischen einem der Steuerports und einem der Steuer-oder Lastpads beispielsweise jeweils einen oder mehrere Bonddrähte.
  • Außerdem ist bei dem in 9A gezeigten Modul das zweite Lastpad 7132 des zweiten Halbleiterchips 712 an die dritte Metallisierung 64 angeschlossen, um den zweiten Lastknoten 132 des in dem zweiten Halbleiterchip 712 integrierten Low-Side-Schalters 12 an den zweiten eingangsknoten IN2 anzuschließen, ist das erste Lastpad 721 des dritten Halbleiterchips 72 an die dritte Metallisierung 64 angeschlossen, um dem ersten Lastknoten 21 des in dem dritten Halbleiterchip 72 integrierten Klemmelements 2 an den zweiten Eingangsknoten IN2 anzuschließen, und sind das zweite Lastpad 7131 des ersten Halbleiterchips 711 und das erste Lastpad 7511 des vierten Halbleiterchips 7511 an die zweite Metallisierung 63 angeschlossen, um den zweiten Lastknoten 131 des in dem ersten Halbleiterchip 711 integrierten High-Side-Schalters und den ersten Lastknoten 511 des in dem vierten Halbleiterchip 751 integrierten ersten Freilaufelements 51 an den Ausgang OUT anzuschließen. Wie in 9A gezeigt umfassen die elektrischen Verbindungen zwischen einem dieser Lastpads und einer dieser Metallisierungen einen oder mehrere Bonddrähte.
  • In der in den 9A und 9B gezeigten Halbbrückenschaltung sind Leiter, die den High-Side-Schalter 11 und den Low-Side-Schalter 12 verbinden und die die Halbbrücke mit dem Klemmelement 2 verbinden, jeweils durch die Metallisierungen 62, 63, 64 und die Bonddrähte gebildet. Der in 1 gezeigte erste Leiter 31 ist beispielsweise im Wesentlichen durch das zweite Lastpad 722 des zweiten Halbleiterchips 72, die erste Metallisierung und das erste Lastpad 7121 des ersten Halbleiterchips 711 gebildet; der zweite Leiter 32 ist im Wesentlichen durch das erste Lastpad 7131 des ersten Halbleiterchips 711 , die Verbindung, die das erste Lastpad 7131 mit der zweiten Metallisierung 63 verbindet, die zweite Metallisierung 63 und das erste Lastpad 7122 des zweiten Halbleiterchips 712 gebildet; und der dritte Leiter 33 ist im Wesentlichen durch das zweite Lastpad 7132 des zweiten Halbleiterchips 712 , die Verbindung, die das zweite Lastpad 7132 mit der dritten Metallisierung 64 verbindet, die Verbindung, die die dritte Metallisierung 64 mit dem ersten Lastpad 721 des ersten Halbleiterchips 72 verbindet, und das erste Lastpad 721 des dritten Halbleiterchips 72 gebildet. Durch Anordnen des Klemmelements 2 innerhalb des Moduls wird eine niedrige parasitäre erste Induktivität solcher Leiter erreicht, die das Klemmelement 2 mit der Halbbrücke verbinden und die den High-Side-Schalter 11 und den Los-Side-Schalter 12 verbinden.
  • 10 zeigt eine Draufsicht auf eine Modifikation des in den 9A und 9B gezeigten Moduls. Bei diesem Beispiel umfasst das Modul zusätzlich ein Gleichrichterelement 7, wie in 6 gezeigt ist. Das Gleichrichterelement 7 ist in einem sechsten Halbleiterchip 77 integriert. Dieser sechste Halbleiterchip 77 und der dritte Halbleiterchip 72 mit dem Klemmelement sind derart an einer vierten Metallisierung 65 befestigt, dass ein zweiter Lastknoten des Klemmelements 2, das in dem dritten Halbleiterchip 2 integriert ist, und ein zweiter Lastknoten des Gleichrichterelements 7, das in dem sechsten Halbleiterchip 77 integriert ist, über eine vierte Metallisierung 65 elektrisch verbunden sind. Der zweite Lastknoten des Klemmelements 2 wird durch einen zweiten Lastknoten des dritten Halbleiterchips 72 gebildet, und der zweite Lastknoten des Gleichrichterelements 7 wird durch ein zweites Lastpad des sechsten Halbleiterchips 77 gebildet. Diese zweiten Lastpads sind in 10 außerhalb der Darstellung. Gemäß einem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, sind die zweiten Lastknoten des Klemmelements 3 und des Gleichrichterelements 7 Kathodenknoten, so dass die Kathodenknoten durch die vierte Metallisierung 65 verbunden sind.
  • Der dritte Halbleiterchip 72 und der sechste Halbleiterchip 77 umfassen jeweils ein erstes Lastpad 721, 771, das einen ersten Lastknoten des Klemmelements 2 und des Gleichrichterelements 7 bildet. Gemäß einem Beispiel ist der erste Lastknoten der Anodenknoten. Diese ersten Lastpads 721, 771 sind auf Oberflächen des dritten und sechsten Halbleiterchips 72, 77 angeordnet, die der vierten Metallisierung abgewandt sind. Bei diesem Beispiel ist das erste Lastpad 721 des dritten Halbleiterchips 72 mit der vierten Metallisierung 64 verbunden, um den ersten Lastknoten (Anodenknoten) 12 des Klemmelements 2 mit dem zweiten Eingangsknoten IN2 zu verbinden, und ist das erste Lastpad 771 des sechsten Halbleiterchips 77 mit der ersten Metallisierung 62 verbunden, um den ersten Lastknoten (Anodenknoten) 71 des Gleichrichterelements 7 mit dem ersten Eingangsknoten IN1 zu verbinden.
  • Wenn, wie in 5 gezeigt, die Anodenknoten des Klemmelements 2 und des Gleichrichterelements 7 verbunden sind, sind die Positionen des dritten und sechsten Halbleiterchips 72, 77 in dem Modul vertauscht und diese dritten und sechsten Halbleiterchips 72, 77 sind umgedreht, so dass die vierte Metallisierung 65 die zweiten Lastpads 722, 772, die die Anodenknoten bilden, anschließt, der Kathodenknoten des Klemmelements 2 ist an die erste Metallisierung 62 angeschlossen, die den ersten Eingang IN1 bildet, und der Kathodenknoten des Gleichrichterelements 7 ist an die dritte Metallisierung 64 angeschlossen, die den zweiten Eingang IN2 bildet.
  • Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Beispiel sind der sechste Halbleiterchip 77 mit dem Gleichrichterelement 7 und der dritte Halbleiterchip 72 mit dem Klemmelement 2 in einer Chip-on-Chip-Konfiguration in einem Modul des in 9A gezeigten Typs angeordnet. Der sechste Halbleiterchip 77 ist beispielsweise zwischen dem dritten Halbleiterchip 72 und den an die dritte Metallisierung 64 angeschlossenen Bonddrähten angeordnet, so dass das erste Lastpad des sechsten Halbleiterchips 77 an das erste Lastpad 721 des dritten Halbleiterchips 72 angeschlossen ist und das zweite Lastpad 772 des sechsten Halbleiterchips 77 an die dritte Metallisierung angeschlossen ist.
  • Die in den 1 und 5 gezeigten elektronischen Schaltungen umfassen jeweils eine Schalt-Schaltung. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Bezugnehmend auf 11 können mehrere solcher Schalt-Schaltungen in einer elektronischen Schaltung angeordnet sein. Lediglich zur Veranschaulichung umfasst die in 11 gezeigte elektronische Schaltung drei Schalt-Schaltungen I, II, III. Diese Schalt-Schaltungen sind jeweils gemäß der in 5 gezeigten Schalt-Schaltung realisiert. In diesen Schalt-Schaltungen I, II, III bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie in 5 dieselben Merkmale, wobei die Bezugszeichen der Schalt-Schaltungen I durch _I ergänzt wurden, die Bezugszeichen der Schalt-Schaltung II durch _II ergänzt wurden und die Bezugszeichen der Schalt-Schaltungen III durch _III ergänzt wurden. Jede dieser Schalt-Schaltungen ist an den Eingang IN1, IN2 angeschlossen. Die Gleichrichterelemente 7I , 7II , 7III in die einzelnen Schalt-Schaltungen können weggelassen werden, was zu Schalt-Schaltungen I, II, III des in 1 gezeigten Typs führen würde. Eine elektronische Schaltung des in 11 gezeigten Typs kann beispielsweise in einem Drei-Phasen-Inverter verwendet werden.
  • 12 veranschaulicht ein Modul, in dem eine elektronische Schaltung mit drei Schalt-Schaltungen I, II, III des in 11 gezeigten Typs implementiert ist, wobei die optionalen Gleichrichterelemente 7I , 7II , 7III weggelassen wurden. Das in 11 gezeigte Modul umfasst drei Untermodule, die in einem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet sind. Jedes dieser Untermodule umfasst sein eigenes Substrat und ist in derselben Weise wie das in den 9A und 9B gezeigte Modul realisiert. Um zusätzlich die Gleichrichterelemente 7I , 7II , 7III zu realisieren, kann jedes dieser Untermodule durch ein Modul des in 10 gezeigten Typs ersetzt werden. In diesen Untermodulen bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie in 9 dieselben Merkmale, wobei die Bezugszeichen des Untermoduls, das die Schalt-Schaltung I realisiert durch _I ergänzt wurden, die Bezugszeichen des Untermoduls, das die Schalt-Schaltung II realisiert, durch _II ergänzt wurden und die Bezugszeichen des Untermoduls, das die Schalt-Schaltung III realisiert, durch _III ergänzt wurden. Bei dem in 11 gezeigten Modul haben die drei Untermodule den ersten Eingangsport 81 gemeinsam und haben den zweiten Eingangsport 82 gemeinsam.

Claims (16)

  1. Elektronische Schaltung mit wenigstens einer Schalt-Schaltung, wobei die wenigstens eine Schalt-Schaltung ein Spannungsklemmelement und eine Halbbrücke mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter aufweist, wobei der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter jeweils einen Steuerknoten und eine Laststrecke aufweisen, wobei die Laststrecken des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters in Reihe geschaltet sind, und wobei das Klemmelement so parallel zu der Halbbrücke geschaltet ist, dass eine erste Gesamtinduktivität von ersten Leitern, die den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter verbinden und die das Spannungsklemmelement mit der Halbbrücke verbinden, geringer ist als 20 nH.
  2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, bei der die erste Gesamtinduktivität geringer als 10 nH oder geringer als 5 nH ist.
  3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin aufweist: einen Eingangskondensator, der parallel zu dem Spannungsklemmelement geschaltet ist.
  4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, bei der der Eingangskondensator so parallel zu dem Spannungsklemmelement geschaltet ist, dass eine zweite Gesamtinduktivität zweiter Leiter, die den Eingangskondensator mit dem Spannungsklemmelement verbinden, größer ist als die erste Gesamtinduktivität.
  5. Elektronische Schaltung nach Anspruch 4, bei der ein Verhältnis zwischen der zweiten Gesamtinduktivität und der ersten Gesamtinduktivität größer als 5, größer als 10 oder größer als 20 ist.
  6. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der von dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter wenigstens einer wenigstens ein Schaltelement aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: einem IGBT; einem MOSFET; einem JFET; und einem HEMT.
  7. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der erste Leiter wenigstens ein elektrisch leitendes Element aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: einem Bonddraht; einem Kontaktpad auf einem Halbleiterchip; einer Bahn auf einer Leiterplatte; einem Flachleiter; und einer Metallisierung auf einem isolierenden Substrat.
  8. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin aufweist: ein Gleichrichterelement, das in Reihe zu dem Spannungsklemmelement geschaltet ist.
  9. Elektronische Schaltung nach Anspruch 8, bei der das Spannungsklemmelement eine Diode aufweist und das Gleichrichterelement eine Diode aufweist und bei der die Diode des Spannungsklemmelements und die Diode des Gleichrichterelements in einer antiseriellen Konfiguration verschaltet sind.
  10. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Spannungsklemmelement eine MPS-Diode aufweist.
  11. Elektronische Schaltung nach Anspruch 10, bei der die MPS-Diode eine von einer SiC-MPS-Diode, einer Si-MPS-Diode oder einer GaN-MPS-Diode ist.
  12. Elektronische Schaltung nach einem der voranagehenden Ansprüche, bei der die wenigstens eine Schalt-Schaltung zwei oder mehr Schalt-Schaltungen aufweist.
  13. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin aufweist: ein erstes Freilaufelement, das parallel zu dem High-Side-Schalter geschaltet ist, und ein zweites Freilaufelement, das parallel zu dem Low-Side-Schalter geschaltet ist.
  14. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die wenigstens eine Halbbrückenschaltung in einem Modul integriert ist.
  15. Elektronische Schaltung nach Anspruch 14, bei der High-Side-Schalter der Halbbrücke wenigstens einen ersten Halbleiterchip aufweist, der Low-Side-Schalter der Halbbrücke wenigstens einen zweiten Halbleiterchip aufweist und das Spannungsklemmelement wenigstens einen dritten Halbleiterchip aufweist, bei der das Modul ein Substrat aufweist und bei der der wenigstens eine erste Halbleiterchip, der wenigstens eine zweite Halbleiterchip und der wenigstens eine dritte Halbleiterchip auf einem Substrat befestigt sind.
  16. Elektronische Schaltung nach Anspruch 15, bei der das Substrat eine erste Metallisierung und eine zu der ersten Metallisierung beabstandete zweite Metallisierung aufweist, bei der, dass der wenigstens eine erste Halbleiterchip und der wenigstens eine dritte Halbleiterchip auf dem Substrat befestigt sind, aufweist, dass der wenigstens eine erste Halbleiterchip und der wenigstens eine dritte Halbleiterchip an der ersten Metallisierung befestigt sind, und bei der, dass der wenigstens eine zweite Halbleiterchip an dem Substrat befestigt ist, aufweist, dass der wenigstens eine zweite Halbleiterchip an der zweiten Metallisierung befestigt ist.
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