DE102018110808A1

DE102018110808A1 - Halbbrückenschaltung

Info

Publication number: DE102018110808A1
Application number: DE102018110808.7A
Authority: DE
Inventors: Hans Weber
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-05-02

Abstract

Es werden Halbleiterbrückenschaltungen mit drei Halbbrücken bereitgestellt, welche jeweils zwei in Reihe geschaltete Transistoreinrichtungen umfassen. Eine der Transistoreinrichtungen basiert auf einem Halbleitermaterial kleiner Bandlücke und die andere Transistoreinrichtung basiert auf einem Halbleitermaterial großer Bandlücke.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Halbbrückenschaltungen und insbesondere Halbbrückenschaltungen mit mehreren parallel geschalteten Halbbrücken.
HINTERGRUND
Halbbrückenschaltungen werden beispielsweise als Steuerschaltungen von Elektromotoren verwendet, beispielsweise in einer sogenannten B6-Ansteuerung. Hierzu werden drei Halbbrücken parallel zwischen zwei Versorgungsspannungsanschlüsse geschaltet, wobei jede Halbbrücke aus zwei in Reihe geschalteten Transistoren besteht. Ein Knoten zwischen den Transistoren jeder Halbbrücke stellt einen jeweiligen Ausgangsknoten dar. Die Transistoren werden dann derart angesteuert, dass an den Ausgangsknoten versetzte Ströme mit versetzten Phasen zum Versorgen eines Elektromotors mit Strom ausgegeben werden.
In vielen Fällen sind die Kosten derartiger Steuerschaltungen für Elektromotoren von entscheidender Bedeutung und sollten so niedrig wie möglich gehalten werden. Im Hochspannungsbereich (beispielsweise Spannungen größer als 100 V, insbesondere größer als 250 V) wurden daher typischerweise für die Transistoren der Halbbrücken Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT; „Insulated Gate Bipolar Transistor“) mit parallel geschalteter Freilaufdiode verwendet.
Die Verwendung derartiger IGBTs führt jedoch im Teillastbetrieb, auf den ein Großteil der B6-Ansteuerung ausgelegt ist, zu relativ hohen Verlusten, was unerwünscht sein kann.
Eine Möglichkeit, derartige Verluste zu verringern, besteht in der Verwendung von Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs; „Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor“). Insbesondere können sogenannte Superjunction-MOSFETs verwendet werden. Auch hier treten jedoch noch sogenannte Kommutierungsverluste beim Schalten auf.
Um diese weiter zu verringern, werden teilweise Halbbrückenschaltungen durchgehend mit MOSFETs implementiert, die auf Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (> 1,5 eV), insbesondere Siliziumcarbid (SiC) basieren. Derartige Siliziumcarbid-basierte Transistoren verringern die Verlustleistung infolge kleiner „Speicherladung“ (üblicherweise als Qrr bezeichnet) weiter, sind jedoch typischerweise um einen Faktor 4-6 teurer als vergleichbare Silizium-basierte MOSFETs oder IGBTs.
KURZFASSUNG
Es wird eine Halbbrückenschaltung nach Anspruch 1 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen der Halbbrückenschaltung sowie eine Motor- und/oder Generatorschaltung mit einer derartigen Halbbrückenschaltung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Halbbrückenschaltung bereitgestellt, umfassend: eine erste Reihenschaltung aus einer ersten Transistoreinrichtung und einer vierten Transistoreinrichtung, welche zwischen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der ersten Transistoreinrichtung und der vierten Transistoreinrichtung einen dritten Anschluss bildet, eine zweite Reihenschaltung aus einer zweiten Transistoreinrichtung und einer fünften Transistoreinrichtung, welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der zweiten Transistoreinrichtung und der fünften Transistoreinrichtung einen vierten Anschluss bildet, und eine dritte Reihenschaltung aus einer dritten Transistoreinrichtung und einer sechsten Transistoreinrichtung, welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der dritten Transistoreinrichtung und der sechsten Transistoreinrichtung einen fünften Anschluss bildet, wobei die erste Transistoreinrichtung, die zweite Transistoreinrichtung und die dritte Transistoreinrichtung auf einem ersten Halbleitermaterial mit einer Bandlücke < 1,5 eV basieren, und
wobei die vierte Transistoreinrichtung, die fünfte Transistoreinrichtung und die sechste Transistoreinrichtung auf einem zweiten Halbleitermaterial mit einer Bandlücke > 1,5 eV basieren.
Auf diese Weise kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Verlustleistung verringert werden, während die Kosten verglichen mit einer Lösung, die nur auf dem zweiten Halbleitermaterial beruht, verringert sein kann.
Die erste Transistoreinrichtung, die zweite Transistoreinrichtung und die dritte Transistoreinrichtung können jeweils einen Silizium-Superjunction-MOSFET umfassen.
Die vierte Transistoreinrichtung, die fünfte Transistoreinrichtung und die sechste Transistoreinrichtung können jeweils einen Siliziumcarbid-basierten MOSFET umfassen.
Alternativ kann die vierte Transistoreinrichtung, die fünfte Transistoreinrichtung und die sechste Transistoreinrichtung jeweils einen Galliumnitrid-basierten HEMT umfassen.
Die erste Transistoreinrichtung, die zweite Transistoreinrichtung und die dritte Transistoreinrichtung können jeweils eine Freilaufdiode und/oder eine Body-Diode umfassen,
und/oder
die vierte Transistoreinrichtung, die fünfte Transistoreinrichtung und die sechste Transistoreinrichtung können jeweils eine Body-Diode oder eine Freilaufdiode umfassen.
Die erste Transistoreinrichtung, die zweite Transistoreinrichtung und die dritte Transistoreinrichtung können jeweils eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren umfassen. Dies kann bei Anwendungen, welche hohe Ströme und/oder Leistungen erfordern, vorteilhaft sein.
Die Parallelschaltung mehrerer Transistoren kann dabei eine Parallelschaltung mehrerer Silizium-Superjunction-Transistoren umfassen.
Die Parallelschaltung mehrerer Transistoren kann mindestens einen Silizium-Superjunction-MOSFET und mindestens einen IGBT umfassen. In diesem Fall kann der IGBT in manchen Ausführungsbeispielen als eine Art „Hochstromsicherung“ für den MOSFET dienen.
Auch die vierte Transistoreinrichtung, die fünfte Transistoreinrichtung und die sechste Transistoreinrichtung können jeweils eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren umfassen.
Die erste Transistoreinrichtung, die zweite Transistoreinrichtung und die dritte Transistoreinrichtung können zusätzlich oder alternativ jeweils eine Reihenschaltung mehrerer Transistoren umfassen. Dies kann bei Hochspannungsanwendungen vorteilhaft sein.
Zudem wird eine Motor- und/oder Generatorschaltung bereitgestellt, umfassend:

eine Halbbrückenschaltung wie oben beschrieben, einen Motor und/oder Generator mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einer dritten Wicklung,
wobei ein erster Anschluss der ersten Wicklung mit dem dritten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist, ein erster Anschluss der zweiten Wicklung mit dem vierten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist, und ein erster Anschluss der dritten Wicklung mit dem fünften Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist,
wobei ein zweiter Anschluss der ersten Wicklung, ein zweiter Anschluss der zweiten Wicklung und ein zweiter Anschluss der dritten Wicklung miteinander verschaltet.

Die Motor- und/oder Generatorschaltung kann weiter eine Spannungsquelle umfassen, wobei ein erster Anschluss der Spannungsquelle mit einem ersten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist und ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle mit dem zweiten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist.
Die Motor- und/oder Generatorschaltung kann weiter eine Steuerung umfassen, welche eingerichtet ist, die erste bis sechste Transistoreinrichtung derart in sechs Phasen anzusteuern, dass in jeder der sechs Phasen eine der ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung alternierend geschlossen und geöffnet wird, und eine der vierten, fünften und sechsten Transistoreinrichtungen geschlossen ist, während die übrigen Transistoreinrichtungen der ersten bis sechsten Transistoreinrichtungen geöffnet sind.
Alternativ kann die Motor- und/oder Generatorschaltung weiter eine Steuerung umfassen, welche eingerichtet ist, die erste bis sechste Transistoreinrichtung derart in sechs Phasen anzusteuern, dass in jeder der sechs Phasen eine der ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung alternierend geschlossen und geöffnet wird, eine der vierten, fünften und sechsten Transistorvorrichtung in Zeiten, während die jeweilige ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung beim alternierenden Öffnen und Schließen geöffnet ist, geschlossen wird, um einen Strom, der sonst über eine Diode der einen der der vierten, fünften und sechsten Transistorvorrichtung fließen würde, zu leiten, und eine weitere der vierten, fünften und sechsten Transistoreinrichtungen geschlossen ist, während die übrigen Transistoreinrichtungen der ersten bis sechsten Transistoreinrichtungen geöffnet sind.
So können die beschriebenen Halbbrückenschaltungen zur effizienten Ansteuerung eines Motors verwendet werden.
Figurenliste

1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Halbbrückenschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt eine Motor- und/oder Generatorschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt Beispiele für Ansteuersignale der Schaltung der 2.
4A und 4B zeigen Diagramme zur Veranschaulichung von Verlusten in Halbbrückenschaltungen.
5-7 zeigen Motor- und/oder Generatorschaltungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
8 zeigt eine Halbbrückenschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Beispielsweise können Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Variationen und Abwandlungen, die für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar, sofern nichts anderes angegeben ist. Zusätzlich zu den explizit dargestellten und diskutierten Merkmalen können auch weitere Merkmale, insbesondere in herkömmlichen Halbbrückenschaltungen und Motor- und/oder Generatorschaltungen verwendete Merkmale, bereitgestellt werden.
Manche der diskutierten Ausführungsbeispiele benutzen Superjunction-MOSFETs. Ein Superjunction-MOSFET ist ein MOSFET, bei welchem eine Vielzahl vertikaler pn-Übergänge bereitgestellt sind, was einen Widerstand des Transistors im eingeschalteten Zustand („on resistance“) verringert und wodurch auch eine Gate-Ladung verringert wird. Derartige Superjunction-MOSFETs sind dem Fachmann für sich genommen bekannt und werden daher nicht näher erläutert.
Manche Ausführungsbeispiele benutzen Transistoren, insbesondere MOSFETs, die auf einem Halbleiter hoher Bandlücke beruhen. Unter einem Halbleiter hoher Bandlücke ist dabei ein Halbleiter mit einer Bandlücke größer als 1,5 V, insbesondere größer als 2 eV, zu verstehen. Ein Beispiel für einen derartigen Halbleiter hoher Bandlücke ist Siliziumcarbid (SiC), welches in Zinkblendestruktur bei Raumtemperatur eine Bandlücke von etwa 2,3 eV aufweist. Andere Halbleiter hoher Bandlücke sind beispielsweise Diamant oder manche III.-V.-Halbleiter wie Aluminiumarsenid (AlAs) oder Galliumnitrid (GaN). Während für viele der nachfolgend besprochenen Ausführungsbeispiele Siliziumcarbid als Beispiel für einen Halbleiter hoher Bandlücke verwendet wird, sind bei anderen Ausführungsbeispielen auch andere Halbleiter hoher Bandlücke verwendbar.
Ein Halbleitermaterial niedriger Bandlücke ist dementsprechend ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke kleiner 1,5 eV. Beispiele umfassen Silizium oder Germanium. Silizium wird dabei verbreitet für nicht-optische Anwendungen verwendet, da es verglichen mit anderen Halbleitermaterialien kostengünstig ist.
Die 1 zeigt eine Halbbrückenschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltung der 1 weist drei Halbbrücken auf, wobei jede Halbbrücke zwei Transistoreinrichtungen umfasst. Insbesondere weist eine erste Halbbrücke eine Transistoreinrichtung Q1 und eine Transistoreinrichtung Q4 auf, eine zweite Halbbrücke weist eine Transistoreinrichtung Q2 und eine Transistoreinrichtung Q5 auf, und eine dritte Halbbrücke weist eine Transistoreinrichtung Q3 und eine Transistoreinrichtung Q6 auf. Die Transistoreinrichtungen jeder Halbbrücke sind dabei in Reihe zwischen eine erste Leitung 10 entsprechend einem ersten Anschluss und eine zweite Leitung 11 entsprechend einem zweiten Anschluss geschaltet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist jede der Transistoreinrichtungen Q1-Q6 durch einen MOSFET-Transistor mit integrierter Body-Diode gebildet, die als Freilaufdiode fungiert. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine separate Freilaufdiode bereitgestellt sein. Die Halbbrückenkonfiguration der 1 wird auch als B6-Konfiguration bezeichnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 basieren die Transistoreinrichtungen Q1, Q2 und Q3 auf einem Halbleitermaterial niedriger Bandlücke, insbesondere Silizium. Insbesondere können die Transistoreinrichtungen Q1-Q3 Silizium-Superjunction-MOSFET-Transistoren umfassen.
Die Transistoreinrichtungen Q4-Q6 basieren bei dem Ausführungsbeispiel der 1 im Gegensatz hierzu auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke, insbesondere Siliziumcarbid. Jede Halbbrücke des Ausführungsbeispiels der 1 weist also eine erste Transistoreinrichtung, die auf einem Halbleitermaterial niedriger Bandlücke basiert, und eine zweite Transistoreinrichtung, die auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke basiert, auf. Insbesondere können die Transistoreinrichtungen Q4-Q6 Siliziumcarbid (SiC)-MOSFETs umfassen, aber auch andere Transistoren wie GaN-HEMTs (Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit, „High Electron Mobility Transistor“).
Im Betrieb wird z.B. an die erste Leitung 10 eine erste Spannung V1 und an die zweite Leitung 11 eine zweite Spannung V2 angelegt. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist V1 größer als V2. In diesem Fall werden die Transistoreinrichtungen Q1-Q3 als High-Side-Transistoreinrichtungen und die Transistoreinrichtung Q4-Q6 als Low-Side-Transistoreinrichtungen bezeichnet. An einem Knoten zwischen den Transistoreinrichtungen Q1 und Q4 liegt in Betrieb ein erstes Signal o1 an, an einem Knoten zwischen den Transistoreinrichtungen Q2 und Q5 liegt ein zweites Signal o2 an, und an einem Knoten zwischen den Transistoreinrichtungen Q3 und Q6 liegt ein drittes Signal o3 an. Die Knoten zwischen den Transistoreinrichtungen bilden somit Anschlüsse der Halbbrückenschaltung für die Signale o1-o3. Im Falle der Anwendung einer Motorsteuerung, wie später erläutert, sind die Spannungen V1, V2 Versorgungsspannungen, und die Signale o1-o3 sind Ausgangsströme, mit denen der Motor getrieben wird. Im Falle von Generatoranwendungen empfängt die Halbbrückenschaltung der 1 Ströme als Signale o1-o3 von einem Generator und wandelt diese in eine Gleichspannung V1, V2 um.
Die Schaltung kann insbesondere so betrieben werden, wie später erläutert werden wird, dass die Transistoreinrichtungen, Q4-Q6, die auf dem Halbleitermaterial hoher Bandlücke basieren, in manchen Betriebsphasen in eine sogenannten Reverse-Leitung über die Freilaufdiode gehen, während die Transistoreinrichtungen Q1-Q3 eine Kommutierung einleiten. Bei vielen Anwendungen ist hier V1 > V2, so dass wie erläutert Q1-Q3 High-Side-Transistoreinrichtungen und Q4-Q6 Low-Side-Transistoreinrichtungen sind. Grundsätzlich ist jedoch auch der umgekehrte Fall V2 > V1 möglich, wobei dann z.B. Schaltvorgänge, die die Kommutierung einleiten, über die dann als Low-Side-Transistoreinrichtungen fungierenden Transistoreinrichtungen Q1-Q3 vorgenommen werden. Auch in diesem Fall sind es die (dann als High-Side-Transistoreinrichtungen fungierenden) Transistoreinrichtungen Q4-Q6, die auf dem Halbleitermaterial hoher Bandlücke basieren, die in manchen Betriebsphasen in die Reverse-Leitung über die Freilaufdiode gehen.
Des Weiteren ist auch bei V1>V2 möglich, dass die Transistoreinrichtungen Q4-Q6 als Low-Side-Transistoreinrichtungen die Kommutierung einleiten, während die Transistoreinrichtungen Q1-Q3 in manchen Betriebsphasen in die Reverse-Leitung über die Freilaufdiode gehen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen können durch eine derartige Kombination von Transistoreinrichtungen, die auf einem Halbleitermaterial niedriger Bandlücke basieren, und Transistoreinrichtungen, die auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke basieren, einerseits Verluste gering gehalten werden und andererseits verglichen mit einer Lösung, die vollständig auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke beruht, Kosten gespart werden.
Zur Verdeutlichung wird im Folgenden ein Anwendungsbeispiel der Halbbrückenschaltung der 1 als Motorsteuerung unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert.
Dabei zeigt die 2 eine Motor- und/oder Generatorschaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche die bereits beschriebene Halbbrückenschaltung der 1 beinhaltet.
Der Begriff „Motor- und/oder Generatorschaltung“ deutet an, dass im Wesentlichen der gleiche Schaltungsaufbau sowohl für eine Motorsteuerschaltung, bei der eine Gleichspannung bereitgestellt wird, und die Halbbrückenschaltung benutzt wird, um einen Motor zu treiben, verwendet werden kann, als auch für eine Generatorschaltung, bei welcher von einem Generator Ströme empfangen werden, um eine Ausgangsgleichspannung bereitzustellen. Bei manchen Anwendungen, beispielsweise im Automobilbereich, werden beide Funktionen benutzt. Beispielsweise wird, um ein Fahrzeug anzutreiben, der Motor angesteuert, und zum Bremsen wird umgekehrt der Motor als Generator betrieben, um Energie in eine Batterie rückzuspeisen.
Um die Darstellung zu vereinfachen, wird bei der folgenden Beschreibung der 2 und 3 von einem Betrieb zum Treiben eines Motors ausgegangen, wobei ein Generatorbetrieb in ähnlicher Weise erfolgen kann.
Zur Bereitstellung der Spannungen V1 und V2 ist in 2 eine Spannungsquelle 20, beispielsweise eine Batterie, bereitgestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist dabei V1 > V2, so dass die Transistoreinrichtungen Q1-Q3 High-Side-Transistoreinrichtungen und die Transistoreinrichtungen Q4-Q6 Low-Side-Transistoreinrichtungen sind. Ein Motor ist durch drei Wicklungen 21, 22, 23 repräsentiert. Ein erster Anschluss der Wicklung 21 ist mit dem Knoten zwischen den Transistoreinrichtungen Q1 und Q4 verbunden, ein erster Anschluss der Wicklung 22 ist mit dem Knoten zwischen den Transistoreinrichtungen Q2 und Q5 verbunden, und ein erster Anschluss der Wicklung 23 ist mit dem Knoten zwischen den Transistoreinrichtungen Q3 und Q6 verbunden. Eine Steuerung 26 ist bereitgestellt, um Steuersignale an die Transistoreinrichtungen Q1-Q6 zu liefern, insbesondere Gate-Anschlüsse von Transistoren der Transistoreinrichtungen Q1-Q6 anzusteuern. Ein Beispiel für Ansteuersignale ist in der 3 gezeigt.
Die Ansteuerung bei dem Beispiel der 3 ist in sechs Phasen unterteilt, welche sich periodisch wiederholen. In jeder Phase wird eine der Transistoreinrichtungen Q1-Q3 mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert, alternierend zu öffnen und zu schließen, und eine der Transistoreinrichtungen Q4-Q6 ist angesteuert, permanent geschlossen zu sein. Wie später erläutert kann bei anderen Ausführungsbeispielen auch eine hiervon abweichende Ansteuerung verwendet werden.
„offen“ bezieht sich dabei auf einen Zustand, in dem Transistoren der Transistoreinrichtung zwischen Source- und Drain-Anschlüssen im Wesentlichen nicht leitend sind und eine Leitung gegebenenfalls über die Freilaufdiode (Body-Diode) stattfinden kann, während „geschlossen“ einen Zustand kennzeichnet, in dem ein Transistor der Transistoreinrichtung eine niederohmige Verbindung zwischen Source und Drain bereitstellt. Beispielsweise wird in der Phase 1 die Transistoreinrichtung Q2 angesteuert, alternierend offen und geschlossen zu sein, und die Transistoreinrichtung Q6 angesteuert, geschlossen zu sein, während die übrigen Transistoreinrichtungen offen sind. In der Phase 2 wird dann die Transistoreinrichtung Q1 angesteuert, alternierend geschlossen und offen zu sein, und die Transistoreinrichtung Q6 wird angesteuert, geschlossen zu sein, usw., wie in 3 dargestellt. Über ein Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals kann dabei insbesondere eine Menge an elektrischer Energie gesteuert werden, die dem Motor zugeführt wird.
Der Betrieb der Schaltung der 2 wird nunmehr für die Phase 1 der 3 noch näher erläutert, d.h. für die Phase, in welcher die Transistoreinrichtung Q2 angesteuert wird, alternierend offen und geschlossen zu sein, und die Transistoreinrichtung Q6 angesteuert ist, geschlossen zu sein.
Wenn die Transistoreinrichtung Q2 in der Phase 1 geschlossen ist, fließt ein Strom wie durch einen gestrichelten Pfeil 24 in 2 angedeutet von der Stromquelle 20 über die Transistoreinrichtung Q2, durch die Wicklung 22, die Wicklung 23 und die Transistoreinrichtung Q6, welche in der ersten Phase geschlossen ist, wieder zur Stromquelle 20.
Wird die Transistoreinrichtung Q2 in der Phase 1 geöffnet, wird auf Basis der in den Wicklungen 22, 23 gespeicherten Energie der Stromfluss durch die Wicklungen aufrechterhalten, der Strom fließt dann wie durch einen gepunkteten Pfeil 25 angedeutet als eine Art Kreisstrom durch die Wicklung 22, die Wicklung 23, die Transistoreinrichtung Q6 und die Freilaufdiode (z.B. Body-Diode) der Transistoreinrichtung Q5. Es ist zu bemerken, dass bei manchen Ausführungsbeispielen die Transistoreinrichtung Q5 für diese Teile der Phase 1, in denen die Transistoreinrichtung Q2 geöffnet ist, auch geschlossen werden kann, um Verluste, die an der Freilaufdiode der Transistoreinrichtung Q5 auftreten, zu verringern. Dieser Teil der Phase 1 und entsprechende Teile anderer Phasen, in welchen die Transistoreinrichtung Q2 offen ist, werden auch als Freilaufphase bezeichnet. Eine derartige Ansteuerung wird auch als SyncRec-Betrieb bezeichnet.
Der Betrieb in den übrigen Phasen 2-6 der 3 verläuft entsprechend. Auf diese Weise werden die Wicklungen 21-23 alternierend mit Strom versorgt, um den Motor anzutreiben.
In der Freilaufphase wird wie soeben erläutert die Freilaufdiode, beispielsweise Body-Diode, der jeweiligen Low-Side-Transistoreinrichtung (Q5 in dem obigen Beispiel) in Vorwärtsrichtung belastet. Dabei werden ab der Diodenschwelle der Freilaufdiode Elektronen und Löcher in das Driftvolumen der Diode injiziert, es entsteht letztendlich ein Ladungsplasma Qinj aus Elektronen und Löchern, welches den Laststrom trägt. Dieses Ladungsplasma führt letztendlich zu einem hohen Leitwert (geringen Widerstand) und somit zur Diodenleitung in Vorwärtsrichtung. Die High-Side-Transistoreinrichtung, welche mit der in Diodenleitung befindlichen Low-Side-Transistoreinrichtung in Reihe geschaltet ist, leitet diese Freilaufphase ein und beendet sie, in dem oben genannten Beispiel der Phase also die Transistoreinrichtung Q2. Die Diodenschwelle liegt bei Silizium-basierten Transistoreinrichtungen bei etwa 0,7 V und bei Siliziumcarbid-basierten Transistoreinrichtungen bei etwa 2 V.
Das Umschalten von der Freilaufphase in die Phase, in welcher der Transistor (z.B. Q5) sperrt (wenn die High-Side-Transistoreinrichtung geschlossen ist, entsprechend dem Pfeil 24 in dem Beispiel der 2; im Folgenden als Sperrphase bezeichnet), kann zu Verlusten führen. Dies wird nun anhand der 4A und 4B erläutert.
Die 4A zeigt eine Testschaltung zur Veranschaulichung des Übergangs zwischen der Freilaufphase und der Sperrphase. Die Testschaltung der 4A umfasst eine Halbbrücke mit einem ersten Transistor 41 und einem zweiten Transistor 42, welcher eine Freilaufdiode 43 aufweist. Der Transistor 41 entspricht einer der High-Side-Transistoreinrichtungen der 2, und der Transistor 42 mit Freilaufdiode 43 entspricht einer der Low-Side-Transistoreinrichtungen der 2. Ein Gate-Anschluss des Transistors 41 wird über einen Gate-Widerstand 47 mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert. Parallel zu Source- und Drain-Anschlüssen des Transistors 42 ist eine Induktivität 44 geschaltet. Ein Drain-Anschluss des Transistors 41 ist mit einem ersten Anschluss einer Spannungsquelle 45 verbunden, und ein Source-Anschluss des Transistors 42 ist mit einem zweiten Anschluss der Spannungsquelle 45. Ein Gate-Anschluss des Transistors 42 ist über einen Widerstand 46 mit dem zweiten Anschluss der Spannungsquelle 45 verbunden. Widerstandswerte der Widerstände 46 und 47 können beispielsweise bei 2 Ω liegen, und ein Induktivitätswert der Induktivität 44 kann bei etwa 145 µH liegen. Beim alternierenden Öffnen und Schließen des Transistors 41 kommt es auch bei 4A zu einem Freilaufstrom durch die in der Induktivität 44 gespeicherten Energie.
Die 4B zeigt Ströme und Spannungen in der 4A, insbesondere den Verlauf eines Source-/Drain-Stroms I_SD durch den Transistor 42, welcher in der Freilaufphase einem Freilaufstrom I_F entspricht, und einer Drain-/Source-Spannung V_DS über den Transistor 42.
In der 4B ist dabei insbesondere die Transiente, d.h. der Übergang, von der Freilaufphase zu der Sperrphase des Transistors 42 gezeigt, entsprechend einem Übergang von einem offenen Zustand des Transistors 41 zu einem geschlossenen Zustand des Transistors 41.
In der Freilaufphase entspricht I_SD dem Freilaufstrom I_F , welcher in diesem Fall vollständig über die Freilaufdiode 43 fließt. Die Drain-/Source-Spannung des Transistors 42 ist dabei kleiner oder gleich der Diodenschwelle (für Silizium also etwa -0.7V). In dem Übergang schwingt die sogenannte Reverse Recovery Charge Qrr, welche eine Summe von injizierter Ladung Qinj und einer Ladung Qoss, welche eine Ladung einer Ausgangskapazität des Transistors 42 ist, auf den Transistor 41 über. Dieser Vorgang wird auch als (harte) Kommutierung bezeichnet. Dieser Ladungsaustausch von dem Transistor 42 zu dem Transistor 41 nimmt eine gewisse Zeit trr in Anspruch, welche von 10 ns bis zu einigen 100 ns dauern kann. Während eines Großteils dieser Dauer kann der Transistor 42 keine Spannung aufnehmen.
Die Transistoren 41, 42 bilden in diesem Fall einen kapazitiven Spanungsteiler, was bedeutet, dass hier der Transistor 41 die volle Versorgungsspannung sperrt. Andererseits ist der Laststrom, d.h. der Strom durch die Induktivität 44, in diesem Fall schon voll auf den Transistor 41 umverlagert, so dass, je größer die Zeit trr ist, umso mehr Verlustleistung im Transistor 41 entsteht. Die Ladungen Qrr durchlaufen selbst auch Bereiche, welche auf hoher Spannung liegen (im Laufe des Umschaltens liegt die Versorgungsspannung zunächst voll auf dem Transistor 41, gegen Ende des Übergangs dann an den Transistor 42), was zu weiteren Verlustleistungen führt.
Selbst wenn man die in die Driftregion der Diode injizierte Ladung Qinj durch verschiedene Maßnahmen reduziert, ist Qrr und somit die Verlustleistung durch Qoss des Transistors 42 limitiert.
Indem die Low-Side-Transistoreinrichtungen Q4-Q6 der 1 und 2 auf einem Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke, beispielsweise SiC, basieren, kann dieses Qoss und somit die Verluste verringert werden. Beispielsweise weisen typische SiC-MOSFETs ein Qoss auf, das nur 10 % der entsprechenden Ladung Qoss für Si-MOSFETs beträgt. Auf diese Weise kann also die Verlustleistung reduziert werden.
Auf der anderen Seite sind bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 die Transistoreinrichtungen Q1-Q3 auf Basis eines Halbleitermaterials mit kleiner Bandlücke, beispielsweise Silizium, implementiert. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Implementierung als im Falle von der Verwendung eines Halbleitermaterials mit hoher Bandlücke. Da beispielsweise bei dem oben beschriebenen Betrieb kein Übergang von Diodenleitung zu einem Sperren stattfindet, spielen hier die oben erläuterten Verluste keine oder zumindest - je nach Anwendung - eine geringere Rolle. Somit kann bei manchen Ausführungsbeispielen durch die erläuterte „Mischung“ aus Transistoreinrichtungen basierend auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke und Transistoreinrichtungen basierend auf einem Halbleitermaterial niedrigerer Bandlücke eine verringerte Verlustleistung verbunden mit verringerten Kosten verglichen mit einer Lösung, die vollständig auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke basiert, erreicht werden. Simulationen haben zudem gezeigt, dass die Effizienz dieser „Mischlösung“ verglichen mit einer Implementierung basierend nur auf Halbleitermaterial hoher Bandlücke nicht oder kaum geringer ist.
Bei dem in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Treibens eines Motors sind diejenigen Transistoreinrichtungen Q1-Q3, bei welchen keine Leitung über die Freilaufdiode auftritt (Q1-Q3) basierend auf einem Halbleiter kleiner Bandlücke implementiert. Bei manchen Anwendungen kann aber auch bei diesen Transistoren eine Freilaufphase auftreten, beispielsweise in einem Generatorfall, in dem ein Motor als Generator betrieben wird und Energie rückspeist. In vielen Fällen sind die hier auftretenden Energien jedoch kleiner als im Fall des Antreibens des Motors, so dass hier die - gegenüber Halbleitern höhere Bandlücke - geringfügig höheren Schaltverluste wenig ins Gewicht fallen und insgesamt unter Berücksichtigung der Schaltverluste einerseits und der Kosten andererseits die beschriebene Lösung mit Transistoreinrichtungen, die auf einem Halbleitermaterial geringer Bandlücke beruhen, und Transistoreinrichtungen, die auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke beruhen, bei manchen Ausführungsbeispielen von Vorteil sein kann.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 5-7 noch verschiedene Abwandlungen der Halbbrückenschaltung der 1 bzw. Motor- und/oder Generatorschaltung der 2 gezeigt. Sofern nichts anderes angegeben ist, sind die Erläuterungen zur Funktionsweise und zur Implementierung der Transistoreinrichtungen, welche unter Bezugnahme auf die 1-4 gegeben wurden, auch auf die Ausführungsbeispiele der 5-7 anwendbar.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 können die einzelnen Transistoreinrichtungen Q1-Q6 gleiche oder näherungsweise gleiche (beispielsweise im Bereich ±10 % gleiche) Einsatzspannungen erhalten.
Ein alternatives Beispiel statt SiC-MOSFETs sind GaN-HEMTs (Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit, englisch: „high electron mobility transistors“).
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 weist jede Transistoreinrichtung einen einzelnen Transistor auf. Es können aber auch zwei oder mehr parallel geschaltete Transistoren in jeder Transistoreinrichtung verwendet werden, welche mit dem gleichen Steuersignal (Gate-Signal) angesteuert werden.
Ein Beispiel hierfür ist in der 5 dargestellt. Bei der 5 weist jede der Transistoreinrichtungen Q1-Q6 zwei parallel geschaltete Transistoren auf, wobei die Transistoren der Transistoreinrichtungen Q1-Q3 auf einem Halbleitermaterial niedriger Bandlücke basieren und die Transistoren der Transistoreinrichtungen Q4-Q6 auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke basieren. Insbesondere können die Transistoren der Transistoreinrichtungen Q1-Q3 Silizium-basierte Superjunction-MOSFETs und die Transistoren der Transistoreinrichtungen Q4-Q6 SiC-MOSFETs sein, sind aber wie bereits für die 1 und 2 erläutert nicht hierauf beschränkt. Ansonsten entspricht die Funktionsweise der Schaltung der 5 derjenigen der 2, und auch hier können die in 3 dargestellten Steuersignale verwendet werden, welche dann jeweils beide parallel geschaltete Transistoren jeder Transistoreinrichtung steuern. Durch die Verwendung von mehreren parallel geschalteten Transistoren können sich bei manchen Ausführungsbeispielen Vorteile bei hohen Strömen und/oder hohen elektrischen Leistungen ergeben.
Eine weitere Variante ist in der 6 dargestellt. Hier ist in jeder der Transistoreinrichtungen Q1-Q3 zusätzlich zu zwei parallel geschalteten MOSFET-Transistoren, insbesondere Silizium-basierte Superjunction-MOSFET-Transistoren, 60A, 60B, noch ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate, IGBT, 61 parallel geschaltet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch nur ein MOSFET (beispielsweise nur 60A) in jeder der Transistoreinrichtungen Q1-Q3 bereitgestellt sein, und/oder es können mehr als ein IGBT 61 bereitgestellt sein.
Die Transistoren jeder Transistoreinrichtung Q1-Q3 (und auch Q4-Q6) werden wiederum jeweils mit dem gleichen Gate-Signal angesteuert, beispielsweise auf Basis der in 3 gezeigten Signale. Es können auch verschiedene Gate-Spannungen für die MOSFETs 60A, 60B einerseits und den IGBT 61 andererseits verwendet werden, beispielsweise durch Einsatz eines Pegelwandlers.
Während insbesondere in einem Teillastbetrieb Silizium-MOSFETs, insbesondere Silizium-Superjunction-MOSFETs, günstigere Eigenschaften hinsichtlich Verlustleistung zeigen, können IGBTs bei hohen Strömen vorteilhaft sein. Daher kann das zusätzliche Vorsehen eines IGBT wie in der 6 für den IGBT 61 gezeigt dazu beitragen, eine Robustheit gegenüber hohen Strömen zu verbessern. Der IGBT 61 kann so beispielsweise bei manchen Ausführungsbeispielen die MOSFETs 60A, 60B vor hohen Strömen schützen.
Es ist zu bemerken, dass für den IGBT 61 keine zusätzliche Freilaufdiode vorgesehen werden muss, da diese Funktion durch die Body-Dioden der MOSFETs 60A, 60B, welche bei üblichen Implementierungen ohnehin vorhanden sind, mit übernommen werden.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können statt Parallelschaltungen von Transistoren oder zusätzlich hierzu auch Reihenschaltungen von Transistoren verwendet werden, insbesondere für High-Side-Transistoreinrichtungen. Ein Beispiel hierfür ist in 7 gezeigt. Hier weist jede der Transistoreinrichtungen Q1-Q3 zwei in Reihe geschaltete Silizium-Superjunction-MOSFETs oder andere auf einem Halbleitermaterial niedriger Bandlücke basierende Transistoren auf. Dies kann insbesondere bei hohen Spannungen sinnvoll sein, da sich auf diese Weise die Spannung auf beide Transistoren verteilt. Es können auch Reihenschaltungen von mehr als zwei Transistoren verwendet werden. Zu bemerken ist, dass grundsätzlich auch bei den Transistoreinrichtungen Q4, Q5 und Q6 derartige Reihenschaltungen möglich sind.
Ansonsten entspricht die Funktionsweise der Schaltung der 7 wiederum der Schaltung der 2, wobei die Transistoren der Transistoreinrichtungen Q1-Q3 beide durch das gleiche Steuersignal (beispielsweise die entsprechenden in 3 dargestellten Steuersignale) angesteuert werden. Gegebenenfalls ist hierfür ein Pegelwandler notwendig, um für beide Transistoren jeder Reihenschaltung entsprechende Gate-/Source-Spannungen zum Öffnen und Schließen bereitzustellen.
Die Reihenschaltungen der 7 können mit Parallelschaltungen wie in der 5 oder 6 gezeigt kombiniert werden, indem mehrere Parallelschaltungen hintereinander geschaltet werden.
Wie bereits erläutert können für die diskutierten Ausführungsbeispiele zusätzlich zu den erläuterten Techniken herkömmliche Techniken verwendet werden, insbesondere was die Ansteuerung und Implementierung der Transistoreinrichtungen betrifft. Beispielsweise wird bei manchen Anwendungen gefordert, dass beim Kommutieren der Spannungsanstieg in den Transistoreinrichtungen Q4-Q6 nicht zu schnell ist. Beispielsweise kann für den Spannungsanstieg dV/dt ein Maximalwert von 5 V/ms gestattet sein. Um derartige Anforderungen zu erfüllen, können herkömmliche Techniken verwendet werden. Beispielsweise kann das Schalten der Transistoren langsamer gestaltet werden. Hierzu kann ein Vorwiderstand zwischen einem Gate-Anschluss der Transistoren und einzelnen Gate-Zellen der Transistoren bereitgestellt werden, welcher eine Verzögerung bewirkt, oder eine Gate-/Drain-Kapazität kann erhöht werden, was ein Miller-Plateau vergrößert. Auch andere herkömmliche Techniken können verwendet werden, um ein gewünschtes Verhalten der Transistoren zu bewirken.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind Halbbrücken in einer B6-Konfiguration bereitgestellt, wobei bei jeder Halbbrücke eine erste Transistoreinrichtung auf einem Halbleitermaterial kleiner Bandlücke und eine zweite Transistoreinrichtung auf einem Halbleitermaterial großer Bandlücke beruht. Derartige Halbbrücken können jedoch auch in anderen Anwendungen zum Einsatz kommen. In allgemeinerer Form wird daher eine Halbbrücke wie in der 8 dargestellt bereitgestellt.
Die Halbbrücke umfasst eine Reihenschaltung aus zwei Transistoreinrichtungen Q1 und Q2, welche zwischen einen ersten Anschluss 80 und einen zweiten Anschluss 81 in Reihe geschaltet sind. Der erste Anschluss 80 und der zweite Anschluss 81 können beispielsweise zum Zuführen einer Versorgungsspannung dienen. Ein Knoten 82 zwischen den Transistoreinrichtungen Q1, Q2 dient als dritter Anschluss der Halbbrücke. Die erste Transistoreinrichtung Q1 basiert auf einem Halbleitermaterial niedriger Bandlücke, und die zweite Transistoreinrichtung Q2 basiert auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke.
Somit wird bei manchen Ausführungsbeispielen eine Halbbrücke bereitgestellt, umfassend eine erste Transistoreinrichtung und eine zweite Transistoreinrichtung, welche zwischen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss in Reihe geschaltet sind, und wobei ein Knoten zwischen der ersten Transistoreinrichtung und der zweiten Transistoreinrichtung einen dritten Anschluss der Halbbrücke bildet. Die erste Transistoreinrichtung basiert auf einem Halbleitermaterial niedriger Bandlücke, insbesondere Silizium, und kann insbesondere einen Superjunction-MOSFET umfassen. Die zweite Transistoreinrichtung basiert auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke und kann einen MOSFET, insbesondere einen SiC-MOSFET, umfassen. Variationen und Abwandlungen, welche beispielsweise unter Bezugnahme auf die 5-7 für die Transistoreinrichtungen diskutiert wurden, wie Parallelschaltungen, Reihenschaltungen oder ein zusätzliches Vorsehen eines IGBT, sind auch auf die erste und zweite Transistoreinrichtung derartiger Ausführungsbeispiele anwendbar.
Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.
Zumindest einige Ausführungsbeispiele sind in den folgenden Beispielen definiert:

Beispiel 1. Halbbrückenschaltung, umfassend:
- eine erste Reihenschaltung aus einer ersten Transistoreinrichtung (Q1) und einer vierten Transistoreinrichtung (Q4), welche zwischen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der ersten Transistoreinrichtung und der vierten Transistoreinrichtung einen dritten Anschluss bildet, eine zweite Reihenschaltung aus einer zweiten Transistoreinrichtung (Q2) und einer fünften Transistoreinrichtung (Q5), welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der zweiten Transistoreinrichtung (Q2) und der fünften Transistoreinrichtung (Q5) einen vierten Anschluss bildet, und
- eine dritte Reihenschaltung aus einer dritten Transistoreinrichtung (Q3) und einer sechsten Transistoreinrichtung (Q6), welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der dritten Transistoreinrichtung (Q3) und der sechsten Transistoreinrichtung (Q6) einen fünften Anschluss bildet,
- wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) auf einem ersten Halbleitermaterial mit einer Bandlücke < 1,5 eV basieren, und wobei die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) auf einem zweiten Halbleitermaterial mit einer Bandlücke > 1,5 eV basieren.
Beispiel 2. Halbbrückenschaltung nach Beispiel 1, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) jeweils einen Silizium-Superjunction-MOSFET umfassen.
Beispiel 3. Halbbrückenschaltung nach Beispiel 1 oder 2, wobei die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) jeweils einen Siliziumcarbid-basierten MOSFET umfassen.
Beispiel 4. Halbbrückenschaltung nach Beispiel 1 oder 2, wobei die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) jeweils einen Galliumnitrid-basierten HEMT umfassen.
Beispiel 5. Halbbrückenschaltung nach einem der Beispiele 1-4, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) jeweils eine Freilaufdiode und/oder eine Body-Diode umfassen, und/oder die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) jeweils eine Body-Diode oder eine Freilaufdiode umfassen.
Beispiel 6. Halbbrückenschaltung nach einem der Beispiele 1-5, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) jeweils eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren umfassen.
Beispiel 7. Halbbrückenschaltung nach Beispiel 6, wobei die Parallelschaltung mehrerer Transistoren eine Parallelschaltung mehrerer Silizium-Superjunction-Transistoren umfasst.
Beispiel 8. Halbbrückenschaltung nach Beispiel 6 oder 7, wobei die Parallelschaltung mehrerer Transistoren mindestens einen Silizium-Superjunction-MOSFET und mindestens einen IGBT umfasst.
Beispiel 9. Halbbrückenschaltung nach einem der Beispiele 1-8, wobei die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) jeweils eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren umfassen.
Beispiel 10. Halbbrückenschaltung nach einem der Beispiele 1-9, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) jeweils eine Reihenschaltung mehrerer Transistoren umfassen.
Beispiel 11. Motor- und/oder Generatorschaltung, umfassend: eine Halbbrückenschaltung nach einem der Beispiele 1-10, einen Motor und/oder Generator mit einer ersten Wicklung (21), einer zweiten Wicklung (22) und einer dritten Wicklung (23), wobei ein erster Anschluss der ersten Wicklung (21) mit dem dritten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist, ein erster Anschluss der zweiten Wicklung (22) mit dem vierten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist, und ein erster Anschluss der dritten Wicklung (23) mit dem fünften Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist, wobei ein zweiter Anschluss der ersten Wicklung, ein zweiter Anschluss der zweiten Wicklung und ein zweiter Anschluss der dritten Wicklung miteinander verschaltet sind.
Beispiel 12. Motor- und/oder Generatorschaltung nach Beispiel 11, weiter umfassend eine Spannungsquelle, wobei ein erster Anschluss der Spannungsquelle mit einem ersten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist und ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle mit dem zweiten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist.
Beispiel 13. Motor- und/oder Generatorschaltung nach Beispiel 11 oder 12, weiter umfassend eine Steuerung, welche eingerichtet ist, die erste bis sechste Transistoreinrichtung (Q1-Q6) derart in sechs Phasen anzusteuern, dass in jeder der sechs Phasen eine der ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung (Q1-Q3) alternierend geschlossen und geöffnet wird, und eine der vierten, fünften und sechsten Transistoreinrichtungen (Q4-Q6) geschlossen ist, während die übrigen Transistoreinrichtungen der ersten bis sechsten Transistoreinrichtungen (Q1-Q6) geöffnet sind.
Beispiel 14. Motor- und/oder Generatorschaltung nach Beispiel 11 oder 12, weiter umfassend eine Steuerung, welche eingerichtet ist, die erste bis sechste Transistoreinrichtung (Q1-Q6) derart in sechs Phasen anzusteuern, dass in jeder der sechs Phasen eine der ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung (Q1-Q3) alternierend geschlossen und geöffnet wird, eine der vierten, fünften und sechsten Transistorvorrichtung (Q4-Q6) in Zeiten, während die jeweilige ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung beim alternierenden Öffnen und Schließen geöffnet ist, geschlossen wird, um einen Strom, der sonst über eine Diode der einen der der vierten, fünften und sechsten Transistorvorrichtung (Q4-Q6) fließen würde, zu leiten, und eine weitere der vierten, fünften und sechsten Transistoreinrichtungen (Q4-Q6) geschlossen ist, während die übrigen Transistoreinrichtungen der ersten bis sechsten Transistoreinrichtungen (Q1-Q6) geöffnet sind.

Claims

Halbbrückenschaltung, umfassend: eine erste Reihenschaltung aus einer ersten Transistoreinrichtung (Q1) und einer vierten Transistoreinrichtung (Q4), welche zwischen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der ersten Transistoreinrichtung und der vierten Transistoreinrichtung einen dritten Anschluss bildet, eine zweite Reihenschaltung aus einer zweiten Transistoreinrichtung (Q2) und einer fünften Transistoreinrichtung (Q5), welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der zweiten Transistoreinrichtung (Q2) und der fünften Transistoreinrichtung (Q5) einen vierten Anschluss bildet, und eine dritte Reihenschaltung aus einer dritten Transistoreinrichtung (Q3) und einer sechsten Transistoreinrichtung (Q6), welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet ist, wobei ein Knoten zwischen der dritten Transistoreinrichtung (Q3) und der sechsten Transistoreinrichtung (Q6) einen fünften Anschluss bildet, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) auf einem ersten Halbleitermaterial mit einer Bandlücke < 1,5 eV basieren, und wobei die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) auf einem zweiten Halbleitermaterial mit einer Bandlücke > 1,5 eV basieren.
Halbbrückenschaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) jeweils einen Silizium-Superjunction-MOSFET umfassen.
Halbbrückenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) jeweils einen Siliziumcarbid-basierten MOSFET umfassen.
Halbbrückenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) jeweils einen Galliumnitrid-basierten HEMT umfassen.
Halbbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) jeweils eine Freilaufdiode und/oder eine Body-Diode umfassen, und/oder die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) jeweils eine Body-Diode oder eine Freilaufdiode umfassen.
Halbbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) jeweils eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren umfassen.
Halbbrückenschaltung nach Anspruch 6, wobei die Parallelschaltung mehrerer Transistoren eine Parallelschaltung mehrerer Silizium-Superjunction-Transistoren umfasst.
Halbbrückenschaltung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Parallelschaltung mehrerer Transistoren mindestens einen Silizium-Superjunction-MOSFET und mindestens einen IGBT umfasst.
Halbbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die vierte Transistoreinrichtung (Q4), die fünfte Transistoreinrichtung (Q5) und die sechste Transistoreinrichtung (Q6) jeweils eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren umfassen.
Halbbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die erste Transistoreinrichtung (Q1), die zweite Transistoreinrichtung (Q2) und die dritte Transistoreinrichtung (Q3) jeweils eine Reihenschaltung mehrerer Transistoren umfassen.
Motor- und/oder Generatorschaltung, umfassend: eine Halbbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1-10, einen Motor und/oder Generator mit einer ersten Wicklung (21), einer zweiten Wicklung (22) und einer dritten Wicklung (23), wobei ein erster Anschluss der ersten Wicklung (21) mit dem dritten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist, ein erster Anschluss der zweiten Wicklung (22) mit dem vierten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist, und ein erster Anschluss der dritten Wicklung (23) mit dem fünften Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist, wobei ein zweiter Anschluss der ersten Wicklung, ein zweiter Anschluss der zweiten Wicklung und ein zweiter Anschluss der dritten Wicklung miteinander verschaltet sind.
Motor- und/oder Generatorschaltung nach Anspruch 11, weiter umfassend eine Spannungsquelle, wobei ein erster Anschluss der Spannungsquelle mit einem ersten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist und ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle mit dem zweiten Anschluss der Halbbrückenschaltung verschaltet ist.
Motor- und/oder Generatorschaltung nach Anspruch 11 oder 12, weiter umfassend eine Steuerung, welche eingerichtet ist, die erste bis sechste Transistoreinrichtung (Q1-Q6) derart in sechs Phasen anzusteuern, dass in jeder der sechs Phasen eine der ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung (Q1-Q3) alternierend geschlossen und geöffnet wird, und eine der vierten, fünften und sechsten Transistoreinrichtungen (Q4-Q6) geschlossen ist, während die übrigen Transistoreinrichtungen der ersten bis sechsten Transistoreinrichtungen (Q1-Q6) geöffnet sind.
Motor- und/oder Generatorschaltung nach Anspruch 11 oder 12, weiter umfassend eine Steuerung, welche eingerichtet ist, die erste bis sechste Transistoreinrichtung (Q1-Q6) derart in sechs Phasen anzusteuern, dass in jeder der sechs Phasen eine der ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung (Q1-Q3) alternierend geschlossen und geöffnet wird, eine der vierten, fünften und sechsten Transistorvorrichtung (Q4-Q6) in Zeiten, während die jeweilige ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung beim alternierenden Öffnen und Schließen geöffnet ist, geschlossen wird, um einen Strom, der sonst über eine Diode der einen der der vierten, fünften und sechsten Transistorvorrichtung (Q4-Q6) fließen würde, zu leiten, und eine weitere der vierten, fünften und sechsten Transistoreinrichtungen (Q4-Q6) geschlossen ist, während die übrigen Transistoreinrichtungen der ersten bis sechsten Transistoreinrichtungen (Q1-Q6) geöffnet sind.