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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Galliumnitrid-Halbleiterschaltung, die eine Schalthalbbrücke aufweist und mittels der Schalthalbbrücke dafür eingerichtet ist, als Leistungsschalter zu wirken.
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Stand der Technik
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Galliumnitrid- (GaN-) Halbleiterschaltungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Eine schaltende Halbbrücke erzeugt an einem Phasenausgang einen Wechsel zwischen Betriebsspannung und Nullspannung. Dieser Wechsel, je schneller er vonstatten geht, erzeugt auf Grund von parasitären Kapazitäten im System unerwünschte kapazitive Ausgleichsströme. Um diese Ströme auf ein normkonformes Maß zu begrenzen, werden z.B. Common-Mode-Filter eingesetzt. Diese Filter sind groß und teuer.
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Die sehr viel schnelleren Schaltvorgänge von GaN-Halbleitern können zu größeren EMV-Problemen führen. Sogar bei relativ langsam schaltenden Si-MOSFETs (dt. Silizium-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) werden in der Applikation Schaltflanken „künstlich“ (z.B. mit Gate-Vorwiderständen) verlangsamt, um EMV-konform zu werden. Dies ist bei GaN-Schaltern allerdings keine Option, weil bei mit Si-MOSFETs vergleichbaren Schaltgeschwindigkeiten auch vergleichbare Schaltverluste anfallen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Galliumnitrid-Halbleiterschaltung zur Verfügung gestellt, die eine Schalthalbbrücke aufweist und mittels der Schalthalbbrücke dafür eingerichtet ist, als Leistungsschalter zu wirken, wobei die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung eine Hilfshalbbrücke aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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Die Hilfshalbbrücke, die zusätzlich zur Schalthalbbrücke bereitgestellt ist, hat den Vorteil, dass die Hilfshalbbrücke die Funktion eines Common-Mode-Filters übernehmen kann, ohne deren Größe und Kosten mit sich zu bringen. So werden die unerwünschten kapazitiven Ausgleichsströme vermieden oder zumindest verringert.
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Die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung ist vorzugsweise dafür eingerichtet, mittels der Hilfshalbbrücke kapazitative Ausgleichsströme in der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung zu kompensieren. So können die Probleme, die kapazitive Ausgleichsströme in herkömmlichen Galliumnitrid-Halbleiterschaltungen mit sich bringen, vermieden oder zumindest gemindert werden.
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Bevorzugt ist, dass die Hilfshalbbrücke dafür angeordnet ist, ausschließlich die Ausgleichsströme in der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung zu tragen. So kann die Hilfshalbbrücke sehr klein ausgeführt sein, insbesondere kleiner als ein stattdessen benötigtes Common-Mode-Filter.
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Eine an die Hilfshalbbrücke angeschlossene Kapazität ist in manchen Ausführungsformen gleich einer parasitären Kapazität mit einem Kühlkörper, sodass sich genau entgegengesetzte Ausgleichströme ergeben und eine Summenladung Null beträgt. Somit fließen netto keine EMV-relevanten Ausgleichströme (z.B. über eine LISN). Dies vermeidet oder zumindest verringert effektiv EMV-Probleme in der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung. Vorzugsweise umfasst die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung einen Kondensator, der die Kapazität bereitstellt. Bauartbedingt lässt es sich bei einer Halbbrücke üblicherweise nicht vermeiden, dass deren Schaltknoten eine gewisse parasitäre Kapazität gegen einem Massepotential besitzt. Diese kann sich zum Beispiel in Form eines (parasitären) Plattenkondensators zwischen der Leiterbahn des Schaltknotens und dem Kühlkörper ausbilden. Auch alle weiteren Schaltungsteile, die an den Schaltknoten angeschlossen sind, wie z.B. eine Motorwicklung, können weitere Kapazitäten aufweisen. Vorzugsweise bildet die Leiterbahn der Hilfshalbbrücke ebenfalls eine parasitäre Kapazität gegen den Kühlkörper aus. Vorzugsweise ist diese Kapazität genau gleich groß oder ähnlich groß wie die gesamte Kapazität der Schalthalbbrücke gegen eine elektrische Masse. Alternativ kann die Kapazität der Hilfshalbbrücke anstatt durch einen parasitären Plattenkondensator auch durch ein diskretes Bauelement, insbesondere einen Kondensator, bereitgestellt sein. Dieser ist dann vorzugsweise mit seinem einen Anschluss mit der Hilfshalbbrücke verbunden und mit dem anderen Anschluss mit dem Massepotential verbunden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Betrieb der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung ein gesamter Strom, der in Richtung des Massepotentials abfließt, Null beträgt. Das heißt, vorzugsweise gleichen sich also die Ladungen der parasitären Kapazität der Schalthalbbrücke und der parasitären Kapazität der Hilfshalbbrücke, zumindest im Wesentlichen, aus. Der Kühlkörper weist optional einen Erdungskontakt auf. Dieser ist aber nicht unbedingt nötig. Fällt der Erdungskontakt weg, bildet der Kühlkörper eine parasitäre Kapazität gegen das Massepotential aus. Werden die Ladungsflüsse auf diesen ausgeglichen, fließt in Summe keine Ladung in das Massepotential.
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Die Hilfshalbbrücke ist in einigen Ausführungsformen dafür eingerichtet, entgegengesetzt zu der Schalthalbbrücke zu schalten. Das bedeutet insbesondere, dass die Halbbrücken mit gleicher Frequenz, also synchron aber gegenphasig arbeiten. So können verglichen mit der Schalthalbbrücke auf besonders wirksame Weise entgegengesetzte Ladungen erzeugt werden, die kompensierend wirken. Ausführungsformen sehen vor, dass mehrere dieser Halbleiterschaltungen zu einer Vollbrücke oder einem B6-Inverter verschaltet sind. So kann eine besonders gute Störungsunterdrückung in verschiedenen Anwendungsbereichen erreicht werden.
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Die Hilfshalbbrücke stellt in manchen Ausführungsformen eine Common-Mode-Störungsunterdrückung bereit. Diese Störungsunterdrückung wird üblicherweise in anderen Schaltungen durch die Verwendung von Common-Mode-Filtern bereitgestellt, die aber, wie eingangs erläutert, aufgrund ihrer Größe und Kosten nachteilig sind.
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Die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung weist in manchen Ausführungsformen die Schalthalbbrücke, die Hilfshalbbrücke, zugeordnete Halbbrückentreiber und Schaltungslogik auf, die auf einem gemeinsamen Halbleiterträger angeordnet sind. Dadurch, dass sich die Schaltlogik und die Schalter auf ein und demselben Substrat, dem Halbleiterträger, befinden, verändern sich alle Eigenschaften der beteiligten Bauelemente in gleicher Art und Weise, sodass eine gleichbleibende Performance der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung sichergestellt werden kann. Die Schaltlogik umfasst vorzugsweise ein oder mehrere NICHT-Logikelemente. Bevorzugt ist, dass die Hilfshalbbrücke zwei NICHT-Logikelemente aufweist. Weiter ist bevorzugt, dass die Schalthalbbrücke zwei Transistoren, nämlich erste und zweite Transistoren umfasst. Weiter ist bevorzugt, dass die Hilfshalbbrücke zwei weitere Transistoren, nämlich dritte und vierte Transistoren umfasst. Vorzugsweise werden bei GaN-on-Si - Technologie als die Transistoren HEMTs (High Electron Mobility) - Transistoren bereitgestellt. Diese sind eine Abwandlung des FETs (Feldeffekttransistors), wie auch der MOSFET. Vorzugsweise ist jeweils ein NICHT-Logikelement an einem jeweiligen Gate-Kontakt der dritten und vierten Transistoren der Hilfshalbbrücke angeschlossen. Der Begriff „angeschlossen“ ist vorzugsweise als elektrisch verbunden zu verstehen. Bevorzugt ist, dass der Gate-Anschluss des dritten Transistors über das zugeordnete NICHT-Logikelement am Gate-Anschluss des ersten Transistors angeschlossen ist. Der Gate-Anschluss des ersten Transistors ist vorzugsweise ein Gate-High-Kontakt. Bevorzugt ist, dass der Gate-Anschluss des vierten Transistors über das zugeordnete NICHT-Logikelement am Gate-Anschluss des zweiten Transistors angeschlossen ist. Der Gate-Anschluss des zweiten Transistors ist vorzugsweise ein Gate-Low-Kontakt.
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Der Source-Kontakt des ersten Transistors der Schalthalbbrücke ist vorzugsweise angeschlossen an dem Drain-Kontakt des zweiten Transistors der Schalthalbbrücke. An diesen Knoten kann dann eine leistungselektronische Schaltung oder einen Motor oder Ähnliches angeschlossen werden. Die Transistoren der Schalthalbbrücke tragen dann den für die jeweilige Anwendung benötigten Stromfluss. Der Source-Kontakt des dritten Transistors ist vorzugsweise angeschlossen an dem Drain-Kontakt des vierten Transistors. Ein Drain-Kontakt des dritten Transistors ist vorzugsweise an einem Drain-Kontakt des ersten Transistors angeschlossen. Ein Source-Kontakt des vierten Transistors ist vorzugsweise an einem Source-Kontakt des zweiten Transistors angeschlossen. Alternativ kann die Hilfshalbbrücke auch eine andere Spannungsquelle als die Schalthalbbrücke angeschlossen sein. Durch Verwendung einer größeren Spannung für die Hilfshalbbrücke kann deren nötige Kapazität zur Kompensation der Ladungen reduziert werden. Alternativ kann auch eine geringere Spannung verwendet werden, um die Spannungsbelastung der Transistoren der Hilfshalbbrücke zu reduzieren. Da die Hilfshalbbrücke nur den vergleichsweise kleinen Strom für die Kompensation tragen muss, kann diese deutlich kleiner und günstiger ausgeführt werden als die Schalthalbbrücke.
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Vorzugsweise ist die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung in lateraler GaN-on-Si-Technologie hergestellt. GaN-on-Si bedeutet Galliumnitrid auf Silizium und ist eine Technologie, die eine kompakte und leistungsstarke Galliumnitrid-Halbleiterschaltung ermöglicht. Die laterale GaN-on-Si Technologie ermöglicht es, eine Halbbrücke, den Halbbrückentreiber und die notwendige Logik auf einem Halbleiterträger gemeinsam herzustellen. Der Halbleiterträger ist vorzugsweise aus Silizium gebildet. Die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung ist vorzugsweise aus Galliumnitrid gebildet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Galliumnitrid-Halbleiterschaltung nach dem Stand der Technik; und
- 2 eine Galliumnitrid-Halbleiterschaltung nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist eine Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 nach dem Stand der Technik gezeigt. Eine schaltende Schalthalbbrücke 2 erzeugt am Phasenausgang einen Wechsel zwischen Betriebsspannung und Nullspannung. An diesen Knoten können dann je nach Anwendung weitere leistungselektronische Schaltungsteile oder auch elektrische Maschinen angeschlossen werden, die hier nicht gezeigt sind. Dieser Wechsel, je schneller er vonstatten geht, erzeugt auf Grund von parasitären Kapazitäten in der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 unerwünschte kapazitive Ausgleichsströme.
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Weiter umfasst die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 nach dem Stand der Technik gemäß 1 in der Schalthalbbrücke 2 einen ersten Transistor 3 und einen zweiten Transistor 4. Ein Source-Kontakt 5 des ersten Transistors 3 ist mit einem Drain-Kontakt 6 des zweiten Transistors 4 elektrisch verbunden bzw. daran angeschlossen. An diesem Knoten können dann auch ein Phasenanschluss eines Motors oder weitere Bauelemente der Leistungselektronik angeschlossen sein, was hier jedoch nicht gezeigt ist. Ein Gate-Kontakt 7 des ersten Transistors 3 bildet einen Gate-High-Kontakt GH aus. Ein Gate-Kontakt 8 des zweiten Transistors 4 bildet einen Gate-Low-Kontakt GL aus. Die parasitäre Kapazität der elektrischen Verbindung zwischen dem Source-Kontakt 5 des ersten Transistors 3 mit dem Drain-Kontakt 6 des zweiten Transistors 4 ist hier bildlich mit einem Plattenkondensator 9 dargestellt und der Abgriff ist mit einer ersten Kondensatorplatte 10a des Kondensators 9 elektrisch verbunden. Eine zweite Kondensatorplatte 10b des Kondensators 9 ist mit einem Erdungskontakt 11 der Schalthalbbrücke 2 elektrisch verbunden. Weitere Details der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 ergeben sich für den Fachmann unmittelbar aus 1.
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In 2 ist eine Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 in einer Ausführungsform nach der Erfindung gezeigt. Die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 weist, wie in 1, eine Schalthalbbrücke 2 auf und ist mittels der Schalthalbbrücke 2 wieder dafür eingerichtet, als Leistungsschalter zu wirken. Weiter weist die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung in 2 aber eine Hilfshalbbrücke 12 auf. Die Hilfshalbbrücke 12 übernimmt, wie im Folgenden erläutert, die Funktion eines Common-Mode-Filters, ohne jedoch deren Größe und Kosten mit sich zu bringen. So werden die unerwünschten kapazitiven Ausgleichsströme vermieden oder zumindest verringert.
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Die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 ist dafür eingerichtet, mittels der Hilfshalbbrücke 12 kapazitative Ausgleichsströme in der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 zu kompensieren. Die Hilfshalbbrücke 12 ist dafür angeordnet, die Ausgleichsströme in der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 zu tragen. Die Hilfshalbbrücke 12 bildet mit ihrer Leiterbahn eine weitere Kapazität 13, hier rein schematisch durch eine weitere Platte 10b veranschaulicht, gegen einen Kühlkörper 14 aus. Vorteilhaft sind die Kapazitäten gleich groß, sodass sich die resultierenden Ausgleichsströme aufheben. Im Betrieb der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 wird somit erreicht, dass der gesamte Strom, der in Richtung eines Massepotentials abfließt, Null beträgt. Die Hilfshalbbrücke 12 ist dafür eingerichtet, synchron, aber entgegengesetzt zu der Schalthalbbrücke 2 zu schalten. Die Hilfshalbbrücke 12 stellt somit eine aktive Common-Mode-Störungsunterdrückung bereit.
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Die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 weist die Schalthalbbrücke 2, die Hilfshalbbrücke 12, zugeordnete Halbbrückentreiber (nicht gezeigt) und Schaltungslogik 15a, 15b auf einem gemeinsamen Halbleiterträger 16 auf. Dabei bilden die Schalthalbbrücke 2 und die Hilfshalbbrücke 11 ein integriertes Bauelement der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1. Die Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 ist in lateraler GaN-on-Si-Technologie hergestellt. Daher ist der Halbleiterträger 16 hier ein Siliziumträger.
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Die Schalthalbbrücke 2 kann gemäß 2 auch als Haupthalbbrücke bezeichnet werden, da diese aus ihrem Schaltknoten den Stromfluss für die Anwendung bereitstellt (Anschluss hier nicht gezeigt). Die Kapazität 13 stellt in der Ausführungsform der Erfindung eine Umgestaltung des Kondensators 9 aus dem Stand der Technik dar. Die erste Kondensatorplatte 10a der Kapazität 13 ist wieder mit dem Source-Kontakt 5 des ersten Transistors 3 elektrisch verbunden. Die erste Kondensatorplatte 10a ist somit wieder Teil der Schalthalbbrücke 2. Der Source-Kontakt 5 des ersten Transistors 3 ist wieder mit dem Drain-Kontakt 6 des zweiten Transistors 4 elektrisch verbunden. Der Gate-Kontakt 7 des ersten Transistors 3 bildet den Gate-High-Kontakt aus. Der Gate-Kontakt 8 des zweiten Transistors 4 bildet den Gate-Low-Kontakt aus. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind in dieser Ausführungsform der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 zusätzlich ein dritter Transistor 17 und ein vierter Transistor 18 bereitgestellt. Ein Drain-Kontakt 19 des dritten Transistors 17 kann mit dem Drain-Kontakt 20 des ersten Transistors 3 elektrisch verbunden sein. Ein Source-Kontakt 21 des dritten Transistors 17 ist mit dem Drain-Kontakt 22 des vierten Transistors 18 elektrisch verbunden. Ein Gate-Kontakt 23 des dritten Transistors 17 ist unter Zwischenschaltung eines ersten NICHT-Logikelements 15a mit dem Gate-High-Kontakt GH elektrisch verbunden. Ein Gate-Kontakt 24 des vierten Transistors 18 ist unter Zwischenschaltung eines zweiten NICHT-Logikelements 15b mit dem Gate-Low-Kontakt GL elektrisch verbunden. Ein Source-Kontakt 25 des vierten Transistors 18 kann mit einem Source-Kontakt 26 des zweiten Transistors 4 elektrisch verbunden sein. Der Abgriff zu der ersten Kondensatorplatte10a befindet sich wieder auf der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Transistor 3 und dem zweiten Transistor 4. Nun befindet sich aber ein weiterer Abgriff zu der zweiten Kondensatorplatte 10b auf der elektrischen Verbindung zwischen dem dritten Transistor 17 und dem vierten Transistor 18. Als eine dritte Kondensatorplatte ist der Kühlkörper 14 vorgesehen. Der Kühlkörper 14 weist den Erdungskontakt 11 auf. Die erste Kondensatorplatte 10a und die zweite Kondensatorplatte 10b sind nicht wie bei Kondensator 9 im Stand der Technik einander zugewandt. Die erste Kondensatorplatte 10a und die zweite Kondensatorplatte 10b sind gemäß 2 beide dem Kühlkörper 14 zugewandt. Der Kühlkörper 14 bildet also als sozusagen eine dritte Kondensatorplatte das Gegenstück in der Kapazität 13 sowohl für die erste Kondensatorplatte 10a als auch für die zweite Kondensatorplatte 10b. In der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 nutzen somit die Haupthalbbrücke 2 und die Hilfshalbbrücke 12 einen gemeinsamen Erdungskontakt 11. Wird an der ersten Kondensatorplatte 10a der Schalthalbbrücke 2 nun im Betrieb ein Ladungsfluss hervorgerufen, dann verursacht das gegenphasige Takten der Hilfshalbbrücke an der zweiten Kondensatorplatte 10b einen Ladungsfluss mit demselben Betrag, aber umgekehrtem Vorzeichen. Dadurch werden kapazitive Ausgleichsströme auf ein normkonformes Maß begrenzt oder ganz verhindert.
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Wenn also, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel in 2 dargelegt, die Hilfshalbbrücke 12 genau entgegengesetzt zur Schalthalbbrücke 2 geschaltet wird und die an die Hilfshalbbrücke 12 angeschlossene Kapazität der parasitären Kapazität mit dem Kühlkörper 14 gleicht, dann ergeben sich genau entgegengesetzte Ausgleichsströme bzw. Ladungen. Die Summenladung auf dem Kühlkörper 14 ist Null, somit fließen netto keine EMV-relevanten Ausgleichsströme, beispielsweise über eine Netznachbildung (nicht gezeigt), auch als LISN bekannt. Es können auch mehrere solcher Halbleiterschaltungen 1 weiter integriert werden. Damit lassen sich dann Vollbrücken oder B6-Inverter darstellen, die über eine aktive Common-Mode Störunterdrückung verfügen. Die monolithisch integrierte Doppel-Halbbrücke 2, 12 der Galliumnitrid-Halbleiterschaltung 1 stellt, mit anderen Worten, eine aktive CM (Common Mode) - Störungsunterdrückung bereit. Wenn, wie vorgeschlagen, eine zweite Halbbrücke, die Hilfshalbbrücke 12, genau entgegengesetzt zur Haupthalbbrücke, der Schalthalbbrücke 2, geschaltet wird und die an die Hilfshalbbrücke 12 angeschlossene Kapazität der parasitären Kapazität mit dem Kühlkörper 14 gleicht, dann ergeben sich genau entgegengesetzte Ausgleichsströme bzw. Ladungen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
