DE10255373A1 - Device for electronically switching a load element, arrangement of the device and use of the device or arrangement - Google Patents

Device for electronically switching a load element, arrangement of the device and use of the device or arrangement Download PDF

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Abstract

Um eine Vorrichtung (1a) zum elektronischen Schalten eines Lastelements, eine Anordnung der Vorrichtung sowie eine Verwendung der Vorrichtung bzw. der Anordnung zu erzielen, die sich sowohl im Anlaufbetrieb wie auch im Nennbetrieb eines zu schaltenden Lastelements (2) durch eine geringe Wärmeentwicklung auszeichnen sollen, ist hinsichtlich der Vorrichtung vorgesehen, dass neben einem ersten Halbleiter-Schaltelement (3a) mit einer bestimmbaren Verlustleistung ein dazu laststromseitig elektrisch parallelgeschaltetes zweites Halbleiter-Schaltelement (4a) mit einer bestimmbaren, jedoch zur Verlustleistung des ersten Halbleiter-Schaltelements (3a) unterschiedlichen Verlustleistung gegeben ist, wobei die Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements durch das zweite Halbleiter-Schaltelement (4a) im Anlaufbetrieb des Lastelements (2) und/oder durch das erste Halbleiter-Schaltelement (3a) im Nennbetrieb des Lastelements (2) unterschritten ist.In order to achieve a device (1a) for the electronic switching of a load element, an arrangement of the device and a use of the device or the arrangement which are to be characterized by low heat development both in the start-up mode and in the nominal mode of a load element (2) to be switched Regarding the device, it is provided that, in addition to a first semiconductor switching element (3a) with a determinable power loss, a second semiconductor switching element (4a) electrically connected in parallel on the load current side with a determinable power dissipation that is different from the power loss of the first semiconductor switching element (3a) is given, the power loss of the respective other semiconductor switching element by the second semiconductor switching element (4a) during start-up operation of the load element (2) and / or by the first semiconductor switching element (3a) during nominal operation of the load element (2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektronischen Schalten eines von einer Stromquelle gespeisten Lastelements gemäß Patentanspruch 1, auf eine Anordnung der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10, 11 sowie auf eine Verwendung der Vorrichtung bzw. der Anordnung gemäß Patentanspruch 15, 16.The invention relates to a Device for electronically switching one from a power source fed load element according to claim 1, on an arrangement of the device according to claim 10, 11 and to use the device or the arrangement according to claim 15, 16.

Aus der DE 196 12 216 A1 ist ein elektronisches Abzweigschaltgerät für eine Drehstromquelle bekannt, das mit Halbleiter-Schaltelementen hergestellt ist. Das vorgenannte Abzweigschaltgerät weist unter anderem zwei Halbleiterbauelemente auf, die elektrisch in Reihe zu einem Hybrid-Leistungs-MOSFET zusammengeschaltet sind. Ein derartiger Hybrid-Leistungs-MOSFET ist beispielsweise in der DE 199 02 520 A1 offenbart. Derartig eingesetzte Halbleiter-Schalt- bzw. -Bauelemente finden unter anderem in der Niederspannungs- sowie ggf. auch in der Mittelspannungs-Schalttechnik Anwendung und dienen zum kontaktlosen Ein- bzw. Ausschalten eines stromquellengespeisten Verbrauchers, beispielsweise eines Motors.From the DE 196 12 216 A1 an electronic branch switching device for a three-phase source is known, which is made with semiconductor switching elements. The aforementioned branch switching device has, among other things, two semiconductor components which are electrically connected in series to form a hybrid power MOSFET. Such a hybrid power MOSFET is for example in the DE 199 02 520 A1 disclosed. Semiconductor switching or components used in this way are used, among other things, in low-voltage and possibly also in medium-voltage switching technology and are used for contactless switching on and off of a power source-powered consumer, for example a motor.

Hierbei fließt beim Zuschalten eines als Lastelement wirkenden Verbrauchers, beispielsweise eines Motors, bis zum Erreichen der motorspezifischen Nenndrehzahl ein Anlaufstrom, der ein Vielfaches des Nennstromes beträgt. Übertragen auf ein Schaltgerät mit Halbleitern zum elektronischen Schalten des Verbrauchers, insbesondere des Motors, entsteht während der Anlaufphase eine starke thermische Belastung in besagten Halbleitern. Folglich bestimmt die aus der Anlaufphase resultierende Belastung die Dimensionierung der Halbleiter.Here, when switching on a flows as Load element acting consumer, for example an engine, a starting current until the motor-specific nominal speed is reached, which is a multiple of the nominal current. Transferred to a switching device with semiconductors for electronic switching of the consumer, especially the motor, arises during the start-up phase a strong thermal load in said semiconductors. Consequently, the load resulting from the start-up phase determines the dimensioning of the semiconductors.

Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Vorrichtung zum elektronischen Schalten, eine Anordnung der Vorrichtung sowie eine Verwendung der Vorrichtung bzw. Anordnung anzugeben, die sich sowohl im Anlaufbetrieb wie auch im Nennbetrieb eines zu schaltenden Lastelements durch eine geringe Wärmeentwicklung auszeichnet.It is the object of the present invention, a Device for electronic switching, an arrangement of the device and to indicate a use of the device or arrangement, which become one in start-up as well as in nominal operation switching load element is characterized by low heat generation.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Wärmeentwicklung durch halbleiterbedingte Verlustleistungen – auch Durchlassverluste genannt – bedingt ist.The invention is based on knowledge from that heat development due to semiconductor-related power losses - also known as transmission losses is.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich der Anordnung der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 11, 12 sowie in bezug auf die Verwendung der Anordnung bzw. der Vorrichtung durch die Merkmale der Patentansprüche 16, 17 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung, der Anordnung sowie der Verwendung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.This task is done with regard to Device according to the invention the features of claim 1, with respect to the arrangement of the Device according to the invention the features of the claims 11, 12 and in relation to the use of the arrangement and the Device solved by the features of claims 16, 17; advantageous Refinements of the device, the arrangement and the use are each the subject of further claims.

Durch die Verschaltung bzw. den Aufbau der Vorrichtung mit zwei zueinander laststromseitig elektrisch parallelgeschalteten und in Abhängigkeit der jeweiligen bauteilspezifischen Strom-Spannungs-Rusgangskennlinie unterschiedliche Verlustleistungen aufweisenden Halbleiter-Schaltelementen, durch die im stromführenden Zustand eine Unterschreitung der Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements durch das zweite Halbleiter-Schaltelement im Anlaufbetrieb des Lastelements und/oder durch das erste Halbleiter-Schaltelement im Nennbetrieb des Lastelements gegeben ist, wird erreicht, dass der Laststrom während des Anlaufbetriebs im Wesentlichen über das zweite Halbleiter-Schaltelement bzw. über beide Halbleiter-Schaltelemente fließt, wobei sich aus dem Spannungsfall an dem zweiten Halbleiter-Schaltelement auf Grund seiner Kennlinien-Charakteristik gegenüber der Kennlinien-Charakteristik des ersten Halbleiter-Schaltelements ein geringeres Verhältnis der Verlustleistungen bezogen auf den Anlauf- und Nennstrom ergibt.Through the interconnection or the structure the device with two mutually electrically connected in parallel on the load current side and depending the respective component-specific current-voltage curve semiconductor switching elements having different power losses, through the in the live Condition is below the power loss of the other semiconductor switching element by the second semiconductor switching element in the start-up operation of the load element and / or by the first semiconductor switching element in the nominal operation of the load element is given, it is achieved that the load current during start-up in Essentially about the second semiconductor switching element or via both semiconductor switching elements flows, resulting from the voltage drop on the second semiconductor switching element due to its characteristic curve versus the characteristic curve of the first semiconductor switching element has a lower ratio of Power losses related to the starting and nominal current results.

Ferner fließt der Laststrom, je nach Ansteuerung der Vorrichtung, während des Nennbetriebs im Wesentlichen über das erste Halbleiter-Schaltelement, das mit einer im Vergleich zur Durchlassspannung des zweiten Halbleiter-Schaltelements geringeren Durchlassspannung versehen ist, so dass die Durchlassverluste auch in dieser Betriebsphase gering gehalten werden können, woraus insgesamt eine günstige Verlustleistungsbilanz durch die Synergieausnutzung beider Halbleiter-Schaltelemente resultiert.The load current also flows, depending on the control the device while nominal operation essentially via the first semiconductor switching element, that with a compared to the forward voltage of the second semiconductor switching element lower forward voltage is provided, so that the forward losses can also be kept low in this operating phase, from which overall a cheap one Power loss balance results from the synergy exploitation of both semiconductor switching elements.

Geringe Durchlassverluste bzw. geringe Verlustleistungen bedeuten eine geringe Erwärmung der Vorrichtung zum elektronischen Schalten, so dass einerseits eine Reduzierung des notwendigen Halbleitermaterials (Chipfläche) bzw. eine Verkleinerung notwendiger Kühlkörper und damit auch eine Verringerung des Bauvolumens der Vorrichtung bei gleicher Schaltleistung vorgenommen bzw. andererseits eine Erhöhung der Schaltleistung der Vorrichtung im Sinne einer Wirkungsgradsteigerung bei gleichbleibender Kühlkörpergröße erzielt werden kann.Low transmission losses or low Power losses mean a slight heating of the electronic device Switch, so that on the one hand a reduction in the necessary semiconductor material (Chip area) or a reduction in the number of necessary heat sinks and thus a reduction of the construction volume of the device with the same switching capacity or on the other hand an increase the switching capacity of the device in the sense of an increase in efficiency achieved with the same heat sink size can be.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:The invention as well as advantageous Refinements according to features of further claims in the following with reference to exemplary embodiments shown in the drawing explained in more detail; show in it:

1 eine Ausführungsvariante der Vorrichtung zum elektronischen Schalten; 1 a variant of the device for electronic switching;

2 eine Ausführungsvariante der Anordnung mit zwei bidirektional geschalteten Vorrichtungen; 2 an embodiment of the arrangement with two bidirectionally switched devices;

3 eine Ausführungsvariante der Anordnung mit mehreren, phasenparallel und/oder bidirektional geschalteten Vorrichtungen; 3 an embodiment variant of the arrangement with a plurality of devices connected in phase and / or bidirectionally;

4 ein Strom-Spannungs-Diagramm mit den Ausgangskennlinien des ersten Halbleiter-Schaltelements und des zweiten Halbleiter-Schaltelements jeweils für sich; und 4 a current-voltage diagram with the output characteristics of the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element in each case individually; and

5 ein weiteres Strom-Spannungs-Diagramm mit der Ausgangskennlinie der Vorrichtung bzw. der jeweiligen Anordnung zum elektronischen Schalten. 5 another current-voltage diagram with the output characteristic of the device or the respective electronic arrangement Switching.

In 1 ist der schaltungstechnische bzw. bauteilspezifische Aufbau einer Vorrichtung 1a zum elektronischen Schalten eines von einer Stromquelle gespeisten bzw. versorgten Lastelements 2 anhand einer Ausführungsvariante gezeigt, die vorteilhafterweise unter anderem als einphasiger Gleichstromschalter eingesetzt werden kann. Im Laststrompfad der Vorrichtung 1a kann an einem der Zu- oder Abfluss-Anschlüsse S bzw. D (Source bzw. Drain-Ports) die Stromquelle bzw. das Lastelement 2, insbesondere ein Motor, angeschlossen werden.In 1 is the circuitry or component-specific structure of a device 1a for the electronic switching of a load element which is supplied or supplied by a current source 2 shown on the basis of an embodiment variant which can advantageously be used, inter alia, as a single-phase DC switch. In the load current path of the device 1a can the current source or the load element at one of the inflow or outflow connections S or D (source or drain ports) 2 , especially a motor.

Die Vorrichtung 1a weist hierbei ein erstes Halbleiter-Schaltelement 3a und ein zu diesem laststromseitig, das heißt an jeweils vorgesehenen bzw. im Bereich der Zu- und Abfluss-Anschlüssen S bzw. D (Source- bzw. Drain-Ports), elektrisch parallelgeschaltetes zweites Halbleiter-Schaltelement 4a im Sinne eines hybriden Leistungsschalters auf. Die Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a sind je nach Anwendungsfall als Leistungs-Halbleiter ausführbar. Sowohl das erste als auch das zweite Halbleiter-Schaltelement 3a bzw. 4a weisen jeweils eine charakterisierende Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K1 bzw. K2 gemäß 4 auf, mittels derer halbleiterspezifische Verlustleistungen bestimmbar sind.The device 1a has a first semiconductor switching element 3a and a second semiconductor switching element that is electrically connected in parallel to this on the load current side, that is to say at the respectively provided or in the region of the inflow and outflow connections S or D (source or drain ports) 4a in the sense of a hybrid circuit breaker. The semiconductor switching elements 3a respectively. 4a are executable as power semiconductors depending on the application. Both the first and the second semiconductor switching element 3a respectively. 4a each have a characterizing current-voltage output characteristic curve K1 or K2 according to 4 which can be used to determine semiconductor-specific power losses.

Die Verlustleistung des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a unterscheidet sich jedoch im Vergleich zu der Verlustleistung des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a, derart dass die Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements 3a bzw. 4a durch das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a im Anlaufbetrieb des Lastelements 2 und/oder durch das erste Halbleiter-Schaltelement 3a im Nennbetrieb des Lastelements 2 unterschritten und dadurch ein den Wirkungsgrad der Vorrichtung 1a im Sinne eines verbesserten Durchlassverhaltens steigernder Effekt gegeben ist.The power loss of the first semiconductor switching element 3a differs, however, in comparison to the power loss of the second semiconductor switching element 4a , such that the power loss of the other semiconductor switching element 3a respectively. 4a through the second semiconductor switching element 4a during start-up of the load element 2 and / or by the first semiconductor switching element 3a in nominal operation of the load element 2 fell below and thereby the efficiency of the device 1a there is an increasing effect in the sense of an improved transmission behavior.

Das erste Halbleiter-Schaltelement 3a ist dabei auf Grund seiner Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K1 für den Nennbetrieb und ggf. für den Anlaufbetrieb des Lastelements 2 ausgelegt, wobei das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a durch seine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2 vorwiegend für den Anlaufbetrieb des Lastelements 2 charakterisiert ist. Das Durchlassverhalten der beiden Halbleiter-Schaltelement 3a bzw. 4a wird also durch die zugehörige, die Verlustleistung wiedergebende Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K1 bzw. K2 bestimmt.The first semiconductor switching element 3a is due to its current-voltage output characteristic K1 for the nominal operation and possibly for the start-up operation of the load element 2 designed, the second semiconductor switching element 4a due to its current-voltage output characteristic K2 mainly for the start-up operation of the load element 2 is characterized. The pass behavior of the two semiconductor switching elements 3a respectively. 4a is therefore determined by the associated current-voltage output characteristic curve K1 or K2, which represents the power loss.

Steuerstromseitig weisen das erste Halbleiter-Schaltelement 3a und das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a jeweils einen ansteuerbaren Anschluss G (Gate) auf, der hier elektrisch zusammengeschaltet ist und dadurch eine gleichzeitige und voneinander abhängige Ansteuerung beider Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a gewährleistet. Vorteilhafterweise kann dabei der Laststrom in Abhängigkeit der Charakteristik der jeweiligen Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie im Anlaufbetrieb des Lastelements 2 über beide Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a und im Nennbetrieb über das erste Halbleiter-Schaltelement 3a fließen.The first semiconductor switching element has on the control current side 3a and the second semiconductor switching element 4a each have a controllable connection G (gate), which is electrically connected here and thereby a simultaneous and interdependent control of both semiconductor switching elements 3a respectively. 4a guaranteed. The load current can advantageously be a function of the characteristic of the respective current-voltage output characteristic curve during the start-up operation of the load element 2 over both semiconductor switching elements 3a respectively. 4a and in rated operation via the first semiconductor switching element 3a flow.

Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung an dem gemeinsamen Anschluss G zumindest ein Ansteuerglied 5 vorgesehen, das zur Ansteuerung des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a und des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a, insbesondere zur potentialfreien, also sicherheitsorientierten Ansteuerung mittels eines Optokopplers oder dergleichen dient. Selbstverständlich kann auch eine individuelle, d.h. eine zeitlich versetzte bzw. voneinander unabhängige Ansteuerung der Anschlüsse G mit eigenständigen Ansteuergliedern vorgesehen werden, die ggf. im Sinne einer abhängigen Ansteuerung miteinander kommunizieren. Vorteilhafterweise ist hierbei das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a vor dem ersten Halbleiter-Schaltelement 3a mit einer Steuerspannung an dem entsprechenden Anschluss G beaufschlagt, wodurch eine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K3 gemäß 5 gegeben ist, die im Anlaufbetrieb bzw. im Nennbetrieb das Durchlassverhalten jeweils eines der beiden Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a bestimmt.Furthermore, in an advantageous embodiment, at least one control element is at the common connection G. 5 provided that for controlling the first semiconductor switching element 3a and the second semiconductor switching element 4a , in particular for potential-free, ie safety-oriented control by means of an optocoupler or the like. Of course, it is also possible to provide an individual, that is to say a time-shifted or independent control of the connections G with independent control elements which, if appropriate, communicate with one another in the sense of a dependent control. The second semiconductor switching element is advantageous here 4a before the first semiconductor switching element 3a applied with a control voltage at the corresponding terminal G, whereby a current-voltage output characteristic curve K3 according to 5 is given, the pass-through behavior of one of the two semiconductor switching elements in the start-up mode or in the nominal mode 3a respectively. 4a certainly.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist einerseits das erste Halbleiter-Schaltelement 3a als Transistor, insbesondere als Siliciumcarbid-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor 6a (SiC-J-FET) mit einem dazu elektrisch in Reihe geschalteten Transistor, insbesondere Silicium-Metalloxid-Feldeffekt-Transistors 7a (Si-MOS-FET) bzw. Siliciumcarbid-Metalloxid-Feldeffekt-Transistor (SiC-MOS-FET), im Sinne einer Kaskode mit einer geringen Durchlassspannung, ausgeführt. Der Si-MOS-FET 7a weist seinerseits eine interne und zu diesem antiparallel geschaltete, bipolare Diode D1 auf, die allgemein als Inversdiode bzw. interne Freilaufdiode bezeichnet wird.In an advantageous embodiment, the first semiconductor switching element is on the one hand 3a as a transistor, in particular as a silicon carbide junction field-effect transistor 6a (SiC-J-FET) with a transistor electrically connected in series with it, in particular silicon-metal oxide field-effect transistor 7a (Si-MOS-FET) or silicon carbide metal oxide field-effect transistor (SiC-MOS-FET), in the sense of a cascode with a low forward voltage. The Si-MOS-FET 7a for its part has an internal bipolar diode D1, which is connected antiparallel to it and is generally referred to as an inverse diode or internal freewheeling diode.

Andererseits ist das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a als Transistor, insbesondere als kostengünstiger Silicium-Isolierschicht-Bipolar-Transistor (Si-IGBT) mit einer dazu antiparallel geschalteten Inversdiode D2 ausgeführt, die ihrerseits ebenfalls zu dem ersten Halbleiter-Schaltelement 3a antiparallel geschaltet ist und den Strom bei negativer Drain-Spannung am Si-IGBT vorbeiführt. Der Si-IGBT zeichnet sich durch ein günstiges Verhältnis der Verlustleistungen aus, welches sich aus dem Quotienten der Anlaufbetriebsverlustleistung zu der Nennbetriebsverlustleistung ergibt. Zugleich bestimmt der Si-IGBT bei vorgenannter Parallelschaltung mit der Kaskode die Kurzschlussfestigkeit bzw. die thermische Kurzschlussbelastbarkeit – Strom, der von einem Halbleiter bzw. Halbleiterverbund eine bestimmte Zeit, hier etwa 10 μs, schadensfrei geführt werden kann – der Vorrichtung 1a.On the other hand, the second semiconductor switching element 4a designed as a transistor, in particular as a cost-effective silicon insulating layer bipolar transistor (Si-IGBT) with an inverse diode D2 connected antiparallel to it, which in turn also leads to the first semiconductor switching element 3a is connected in antiparallel and leads the current past the Si-IGBT with a negative drain voltage. The Si-IGBT is characterized by a favorable ratio of the power losses, which results from the quotient of the start-up operating power loss to the nominal operating power loss. At the same time, the Si-IGBT in the case of the aforementioned parallel connection with the cascode determines the short-circuit strength or the thermal short-circuit capacity - current that can be conducted by a semiconductor or semiconductor compound for a certain time, here about 10 μs, without damage - of the device 1a ,

Im Hinblick auf die optimierte Verlustleistungsbilanz während des Anlauf- und Nennbetriebs auf Grund besagter Synergieausnutzung kann kostenintensive Siliciumcarbid-Fläche eingespart werden. Diese vorrichtungsökonomischen Vorteile ergeben sich dadurch, dass der SiC-J-FET 6a lediglich hinsichtlich seines Nennstroms bemessen werden muss und sich daraus ein Optimierungspotential zur Verringerung der Verlustleistung bzw. der Betriebstemperatur ergibt. Es ist demnach möglich die Siliciumcarbid-Fläche des SiC-J-FET 6a in etwa entsprechend dem Verhältnis von Nennstrom zu Anlaufstrom zu verringern, so dass ein bauraum- sowie kostensparender Aufbau der Vorrichtung 1a erzielbar ist.With regard to the optimized power loss balance during start-up and nominal operation due to said synergy exploitation, kos ten-intensive silicon carbide area can be saved. These device economic advantages result from the fact that the SiC-J-FET 6a only has to be measured with regard to its nominal current and this results in an optimization potential for reducing the power loss or the operating temperature. It is therefore possible to use the silicon carbide surface of the SiC-J-FET 6a to be reduced approximately in accordance with the ratio of the nominal current to the starting current, so that the construction of the device saves installation space and costs 1a is achievable.

Gemäß 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsvariante einer Anordnung mit zwei bidirektional geschalteten Vorrichtungen 1a bzw. 1b gezeigt, die unter anderem als einphasiger Wechselstromschalter eingesetzt werden kann. Hierbei ist zu der Vorrichtung 1a eine baugleiche und laststromseitig elektrisch antiseriellgeschaltete, weitere Vorrichtung 1b in Reihe zu dem Lastelement 2 gegeben. Die Vorrichtung 1b ist, entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, an beiden Halbleiter-Schaltelementen 3b bzw. 4b ebenfalls mit einem Anschluss G sowie mit einer Diode D1, einer Inversdiode D2, einem SiC- J-FET 6b, einem Si-MOS-FET 7b und einem Si-IGBT in gleicher Weise ausgestattet.According to 2 is an advantageous embodiment of an arrangement with two bidirectionally switched devices 1a respectively. 1b shown, which can be used as a single-phase AC switch. Here is to the device 1a an identical device of the same design and an additional anti-serial connection on the load current side 1b in series with the load element 2 given. The device 1b is, according to the embodiment according to 1 , on both semiconductor switching elements 3b respectively. 4b also with a connection G and with a diode D1, an inverse diode D2, a SiC-J-FET 6b , a Si-MOS-FET 7b and a Si-IGBT equipped in the same way.

Zumindest das eine Ansteuerglied 5 kann hierbei mit den entsprechenden Anschlüssen G elektrisch leitend verbunden werden, derart dass eine gleichzeitige und/oder voneinander abhängige Ansteuerung der beiden Halbleiter-Schaltelemente 3b bzw. 4b respektive der beiden Vorrichtungen 1a, 1b gegeben ist. Selbstverständlich sind die Anschlüsse G auch zeitlich versetzt und/oder voneinander unabhängig mit mehreren Ansteuergliedern, insbesondere potentialfrei, ansteuerbar.At least one control element 5 can be connected in an electrically conductive manner to the corresponding connections G such that simultaneous and / or interdependent control of the two semiconductor switching elements 3b respectively. 4b respectively the two devices 1a . 1b given is. Of course, the connections G are also staggered in time and / or can be controlled independently of one another with a plurality of control elements, in particular potential-free.

In 3 ist eine Ausführungsvariante der Anordnung bzw. der Vorrichtung 1a gemäß 1 bzw. 2 mit mehreren, phasenparallel und/oder bidirektional geschalteten Vorrichtungen gezeigt, die vorteilhafterweise unter anderem als mehrphasiger Wechsel- bzw. Drehstromschalter eingesetzt werden kann. Ein erster Teil der Anordnung bezieht sich dabei auf eine Anordnung, bei der die Schaltvorrichtung 1a zusammen mit zumindest einer baugleichen und laststromseitig elektrisch phasenparallel geschalteten, weiteren Schaltvorrichtung 1a je Phase der Stromquelle elektrisch verknüpft und das in Reihe dazu angeordnete Lastelement 4 schaltbar ist.In 3 is a variant of the arrangement or the device 1a according to 1 respectively. 2 shown with several, phase-parallel and / or bidirectionally connected devices, which can advantageously be used, inter alia, as a multi-phase AC or three-phase switch. A first part of the arrangement relates to an arrangement in which the switching device 1a together with at least one other switching device of identical construction and connected in phase parallel to the load current 1a electrically linked for each phase of the current source and the load element arranged in series 4 is switchable.

Weiterhin ist eine erweiterte Anordnung gezeigt, bei der zu den Vorrichtungen 1a – strichliert dargestellt – zusätzliche Vorrichtungen 1b vorgesehen sind. Besagte Anordnung mit laststromseitig elektrisch bidirektional geschalteten Vorrichtungen 1a bzw. 1b je Phase der Stromquelle gemäß 2 dient in Verbindung mit zumindest einer elektrisch phasenparallel geschalteten weiteren, insbesondere baugleichen, elektrisch bidirektional geschalteten Vorrichtung 1a bzw. 1b zum Ein- und Ausschalten des Lastelements 2.Furthermore, an expanded arrangement is shown in the case of the devices 1a - shown in dashed lines - additional devices 1b are provided. Said arrangement with devices which are electrically bidirectionally switched on the load current side 1a respectively. 1b per phase of the power source according to 2 serves in conjunction with at least one further device, in particular of identical construction, electrically bidirectionally connected, which is connected in parallel with the phase 1a respectively. 1b for switching the load element on and off 2 ,

Bei dieser Anordnung bezieht sich jeweils ein antiseriellgeschaltetes Vorrichtungspaar 1a, 1b auf jeweils eine Phase einer Drehstromquelle, wobei hier ein drehstromgespeistes Last element 2, insbesondere ein drehstromgespeister Motor, in Abhängigkeit der Ansteuerung des Ansteuerglieds 5 zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Die gezeigte Ausführungsvariante ist in den drei Phasen gleich aufgebaut, weswegen der Aufbau mit dem Ansteuerglied 5 hier, bezogen auf eine Phase, vereinfacht dargestellt ist.In this arrangement, one pair of anti-serial devices relates 1a . 1b on one phase of a three-phase source, here a three-phase load element 2 , in particular a three-phase motor, depending on the control of the control element 5 can be switched on or off. The variant shown is constructed in the same way in the three phases, which is why the construction with the control element 5 here, in relation to one phase, is shown in simplified form.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante gemäß 4 verläuft die Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K1 des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a linear und die Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a parabelförmig, wodurch die Vorrichtung 1a von der Überlagerung des jeweiligen Kennlinienverlaufs des entsprechenden Halbleiter-Schaltelements 3a bzw. 4a profitiert. Hierbei bedingt die parabelähnliche Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a gegenüber der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K1 des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a bei einem höheren Strom im Anlaufbetrieb eine kleinere Spannung. Auf Grund des Spannungsfalls an dem zweiten Halbleiter-Schaltelement 3a; 3b ergibt sich ein geringes Verhältnis der Verlustleistungen bezogen auf den Anlauf- und Nennstrom.In an advantageous embodiment according to 4 the current-voltage output characteristic curve K1 of the first semiconductor switching element runs 3a linear and the current-voltage output characteristic K2 of the second semiconductor switching element 4a parabolic, which makes the device 1a from the superimposition of the respective characteristic curve of the corresponding semiconductor switching element 3a respectively. 4a benefits. Here, the parabolic current-voltage output characteristic curve K2 of the second semiconductor switching element results 4a compared to the current-voltage output characteristic curve K1 of the first semiconductor switching element 3a with a higher current during start-up, a lower voltage Due to the voltage drop on the second semiconductor switching element 3a ; 3b there is a low ratio of the power losses based on the starting and nominal current.

In Ergänzung dazu resultiert vorteilhafterweise aus der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K1 des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a; 4a auf Grund dessen geringen Durchlassspannung im Vergleich zu der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a; 4b bei einem kleineren Strom im Nennbetrieb ebenfalls eine kleinere Spannung, so dass die Durchlassverluste auch in dieser Betriebsphase gering gehalten werden können, woraus sich insgesamt eine optimierte Verlustleistungsbilanz durch die Synergieausnutzung beider Halbleiter-Bauelemente 3a, 3b; 4a, 4b gemäß der in 5 dargestellten Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K3 ergibt.In addition to this, the current-voltage output characteristic curve K1 of the first semiconductor switching element advantageously results 3a ; 4a due to its low forward voltage compared to the current-voltage output characteristic K2 of the second semiconductor switching element 4a ; 4b with a smaller current in nominal operation also a lower voltage, so that the forward losses can also be kept low in this operating phase, which results in an optimized power loss balance as a result of the synergy utilization of both semiconductor components 3a . 3b ; 4a . 4b according to the in 5 shown current-voltage output characteristic curve K3 results.

Bei den 4 und 5 handelt es sich um Diagramme, welche unter Zugrundelegung der Arbeitspunkte der Vorrichtung 1a bzw. der Anordnung mit den Vorrichtungen 1a, 1b in Abhängigkeit eines angenommenen Anlauf- und Nennstromes IA bzw. Ie generiert sind. Die Y-Achse stellt hierbei typischerweise die Stromachse ID und die X-Achse die Spannungsachse UDS dar.Both 4 and 5 are diagrams based on the operating points of the device 1a or the arrangement with the devices 1a . 1b are generated depending on an assumed starting and nominal current I A or I e . The Y axis typically represents the current axis I D and the X axis the voltage axis U DS .

Die zuvor erläuterte Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden:
Um eine Vorrichtung 1a zum elektronischen Schalten eines Lastelements, eine Anordnung der Vorrichtung sowie eine Verwendung der Vorrichtung bzw. der Anordnung zu erzielen, die sich sowohl im Anlaufbetrieb wie auch im Nennbetrieb eines zu schaltenden Lastelements 2 durch eine geringe Wärmeentwicklung auszeichnen sollen, ist hinsichtlich der Vorrichtung vorgesehen, dass neben einem ersten Halbleiter-Schaltelement 3a mit einer bestimmbaren Verlustleistung ein dazu laststromseitig elektrisch parallelgeschaltetes zweites Halbleiter-Schaltelement 4a mit einer bestimmbaren, jedoch zur Verlustleistung des ersten Halbleiter-Schaltelement 3a unterschiedlichen Verlustleistung gegeben ist, wobei die Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements durch das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a im Anlaufbetrieb des Lastelements 2 und/oder durch das erste Halbleiter-Schaltelement 3a im Nennbetrieb des Lastelements 2 unterschritten ist.The invention explained above can be summarized as follows:
To a device 1a for the electronic switching of a load element, an arrangement of the device and a use of the device or the arrangement to achieve both in the starting mode and in the nominal operation of a load element to be switched 2 should be characterized by a low heat development, it is provided with respect to the device that in addition to a first semiconductor switching element 3a with a definable ver a second semiconductor switching element electrically connected in parallel on the load current side 4a with a determinable, but for the power loss of the first semiconductor switching element 3a different power loss is given, the power loss of the other semiconductor switching element by the second semiconductor switching element 4a during start-up of the load element 2 and / or by the first semiconductor switching element 3a in nominal operation of the load element 2 is below.

Claims (20)

Vorrichtung (1a) zum elektronischen Schalten eines von einer Stromquelle gespeisten Lastelements (2), – mit einem ersten Halbleiter-Schaltelement (3a) mit einer durch seine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie (K1) bestimmbaren Verlustleistung; – mit einem zu dem ersten Halbleiter-Schaltelement (3a) laststromseitig elektrisch parallelgeschalteten zweiten Halbleiter-Schaltelement (4a) mit einer ebenso durch seine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie (K2) bestimmbaren, jedoch zur Verlustleistung des ersten Halbleiter-Schaltelement (3a) unterschiedlichen Verlustleistung; – mit einer Unterschreitung der Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements (3a bzw. 4a) durch das zweite Halbleiter-Schaltelement (4a) im Anlaufbetrieb des Lastelements (2) und/oder durch das erste Halbleiter-Schaltelement (3a) im Nennbetrieb des Lastelements (2).Contraption ( 1a ) for electronically switching a load element powered by a power source ( 2 ), - with a first semiconductor switching element ( 3a ) with a power loss that can be determined by its current-voltage output characteristic (K1); - with a to the first semiconductor switching element ( 3a ) second semiconductor switching element electrically connected in parallel on the load current side ( 4a ) with a characteristic that can also be determined by its current-voltage output characteristic (K2), but for the power loss of the first semiconductor switching element ( 3a ) different power loss; - If the power loss of the other semiconductor switching element is undershot ( 3a respectively. 4a ) by the second semiconductor switching element ( 4a ) during start-up of the load element ( 2 ) and / or by the first semiconductor switching element ( 3a ) in nominal operation of the load element ( 2 ). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1, mit einem linearen Verlauf der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie (K1) des ersten Halbleiter-Schaltelements (3a) und/oder einem parabelähnlichen Verlauf der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie (K2) des zweiten Halbleiter-Schaltelements (4a).Contraption ( 1a ) according to claim 1, with a linear profile of the current-voltage output characteristic (K1) of the first semiconductor switching element ( 3a ) and / or a parabolic curve of the current-voltage output characteristic (K2) of the second semiconductor switching element ( 4a ). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1 und/oder 2, mit jeweils einem steuerstromseitig elektrisch ansteuerbaren Anschluss (G) des ersten Halbleiter-Schaltelements (3a) und des zweiten Halbleiter-Schaltelements (4a).Contraption ( 1a ) according to claim 1 and / or 2, each with a control current side electrically controllable connection (G) of the first semiconductor switching element ( 3a ) and the second semiconductor switching element ( 4a ). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 3, mit einer gleichzeitigen und/oder voneinander abhängigen Ansteuerung der Anschlüsse (G).Contraption ( 1a ) according to claim 3, with a simultaneous and / or dependent control of the connections (G). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 4, mit einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Anschlüssen (G).Contraption ( 1a ) according to claim 4, with an electrically conductive connection between the terminals (G). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 3, mit einer zeitlich versetzten und/oder voneinander unabhängigen Ansteuerung der Anschlüsse (G).Contraption ( 1a ) according to claim 3, with a staggered and / or mutually independent control of the connections (G). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 5, mit einer Ansteuerung nur des zweiten Halbleiter-Schaltelements (4a) im Anlaufbetrieb und einer Ansteuerung nur des ersten Halbleiter-Schaltelements (3a) im Nennbetrieb.Contraption ( 1a ) according to claim 5, with a control of only the second semiconductor switching element ( 4a ) in start-up mode and control of only the first semiconductor switching element ( 3a ) in nominal operation. Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1 bis 3 und 7, mit einem Transistor, insbesondere Siliciumcarbid-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (6a), und einem dazu, im Sinne einer Kaskode, elektrisch in Reihe geschalteten Transistor, insbesondere Silicium-Metalloxid-Feldeffekt-Transistor (7a), als erstes Halbleiter-Schaltelement (3a).Contraption ( 1a ) according to claims 1 to 3 and 7, with a transistor, in particular silicon carbide junction field-effect transistor ( 6a ), and to this, in the sense of a cascode, electrically connected transistor in series, in particular silicon-metal oxide field-effect transistor ( 7a ), as the first semiconductor switching element ( 3a ). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 8, mit einer Reihenschaltung aus dem Siliciumcarbid-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor und einem Siliciumcarbid-Metalloxid-Feldeffekt-Transistor als erstes Halbleiter-Schaltelement (3a).Contraption ( 1a ) according to claim 8, with a series circuit of the silicon carbide junction field effect transistor and a silicon carbide metal oxide field effect transistor as the first semiconductor switching element ( 3a ). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1 bis 3 und 7, mit einem Transistor, insbesondere Silicium-Isolierschicht-Bipolar-Transistor, als zweites Halbleiter-Schaltelement (4a).Contraption ( 1a ) according to claims 1 to 3 and 7, with a transistor, in particular silicon insulating layer bipolar transistor, as a second semiconductor switching element ( 4a ). Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1, mit zumindest einem Ansteuerglied (5) zur Ansteuerung, insbesondere zur potentialfreien Ansteuerung, der Halbleiter-Bauelemente (3a, 3b) über die Anschlüsse (G).Contraption ( 1a ) according to claim 1, with at least one control element ( 5 ) for control, in particular for potential-free control, of the semiconductor components ( 3a . 3b ) via the connections (G). Anordnung mit einer Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1, zusammen mit zumindest einer laststromseitig elektrisch phasenparallel geschalteten, weiteren Vorrichtung (1a) zum elektronischen Schalten je Phase der Stromquelle und jeweils für sich in Reihe zu dem Lastelement (2).Arrangement with a device ( 1a ) according to claim 1, together with at least one further device connected in phase parallel on the load current side ( 1a ) for electronic switching for each phase of the power source and each in series with the load element ( 2 ). Anordnung mit einer Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1, zusammen mit einer laststromseitig elektrisch bidirektional geschalteten, weiteren Vorrichtung (1b) zum elektronischen Schalten je Phase der Stromquelle in Reihe zu dem Lastelement (2).Arrangement with a device ( 1a ) according to Claim 1, together with a further device (bidirectionally electrically switched on the load current side) ( 1b ) for electronic switching per phase of the power source in series with the load element ( 2 ). Anordnung nach Anspruch 13, zusammen mit zumindest einer laststromseitig elektrisch phasenparallel geschalteten, weiteren Vorrichtung (1a, 1b) zum elektronischen Schalten je Phase der Stromquelle und jeweils für sich in Reihe zu dem Lastelement (2).Arrangement according to claim 13, together with at least one further device connected in phase parallel on the load current side ( 1a . 1b ) for electronic switching for each phase of the power source and each in series with the load element ( 2 ). Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, mit einer zu der jeweiligen Vorrichtung (1a; 1a, 1b) baugleichen weiteren Vorrichtungen (1a; 1a, 1b).Arrangement according to one of Claims 12 to 14, with a device ( 1a ; 1a . 1b ) identical devices ( 1a ; 1a . 1b ). Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, mit zumindest einem Ansteuerglied (5) zur Ansteuerung, insbesondere zur potentialfreien Ansteuerung, der Halbleiter-Bauelemente (3a, 3b; 4a, 4b) über die Anschlüsse (G).Arrangement according to claim 12 or 13, with at least one control element ( 5 ) for control, in particular for potential-free control, of the semiconductor components ( 3a . 3b ; 4a . 4b ) via the connections (G). Verwendung der Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1 bzw. der Anordnung nach Anspruch 12, im Sinne eines ein- oder mehrphasigen Gleichstromschalters.Use of the device ( 1a ) according to claim 1 or the arrangement according to claim 12, in Meaning of a single or multi-phase DC switch. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, im Sinne eines ein- oder mehrphasigen Wechselstromschalters.Use of the arrangement according to one of claims 13 or 14, in the sense of a single or multi-phase AC switch. Verwendung der Vorrichtung (1a; 1a, 1b) bzw. der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Wechsel- bzw. Drehstromnetz.Use of the device ( 1a ; 1a . 1b ) or the arrangement according to one of the preceding claims in an AC or three-phase network. Verwendung der Vorrichtung (1a; 1a, 1b) bzw. der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur An- und Abschaltung eines elektrischen Motors.Use of the device ( 1a ; 1a . 1b ) or the arrangement according to one of the preceding claims for switching an electric motor on and off.
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