DE10258777B4 - Schaltungsanordnung umfassend ein Leistungsmodul mit externer Ansteuereinrichtung und Herstellungsverfahren für ein solches Modul - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung
a) umfassend ein Leistungsmodul (1) und eine externe Ansteuereinrichtung (40), die zur Ansteuerung des Leistungsmoduls (1) eingerichtet ist,
b) wobei das Leistungsmodul (1) ein gate-gesteuertes Leistungshalbleiterbauelement (10) mit Kollektor (12), Emitter (13) und Gate (11) umfasst,
b1) wobei das Gate (11) des Leistungshalbleiterbauelements (10) elektrisch mit der Ansteuerungseinrichtung (40) verbunden ist,
b2) wobei die Ansteuereinrichtung eine Steuerspannung zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterbauelements (10) bereitstellt,
c) wobei das Leistungsmodul (1) ein gate-gesteuertes Steuerhalbleiterbauelement (20) mit Kollektor (22), Emitter (23) und Gate (21) umfasst,
c1) wobei das Gate (21) des Steuerhalbleiterbauelements (20) elektrisch mit der Ansteuerungseinrichtung (40) verbunden ist,
c2) wobei die Ansteuereinrichtung (40) eine Steuerspannung zur Ansteuerung des Steuerhalbleiterbauelements (20) bereitstellt,
d) wobei Leistungshalbleiterbauelement (10) und Steuerhalbleiterbauelement (20)
d1) vom gleichen Typ sind und
d2) die gleiche Spannungsfestigkeit aufweisen und
d3) wobei das Steuerhalbleiterbauelement (20) eine kleinere Stromtragfähigkeit aufweist als...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit gate-gesteuertem Leistungshalbleiterbauelement, dessen Gate für die Ansteuerung durch eine externe Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Modul.
• Gate-gesteuerte Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik sind zum Beispiel IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Solche Bauelemente werden in Leistungsmodulen, z.B. IGBT-Modulen, angeordnet, die einen IGBT oder mehrere IGBTs oder IGBT-Chips aufweisen.
• Die Ansteuerung der Gates der gate-gesteuerten Halbleiterbauelemente erfolgt durch eine externe Ansteuerungseinrichtung, die mit den Gates der Elemente des Moduls elektrisch verbunden ist. Die Ansteuerungseinrichtung kann an oder auf dem Leistungsmodul angebracht oder nur durch elektrische Verbindungen mit dem Modul verbunden sein. Durch die Verbindungen werden Steuerspannungen von der Ansteuerungseinrichtung zu den Leistungsbauelementen übertragen.
• Insbesondere kann auch die Abschaltung eines Leistungsbauelementes, z.B. IGBT, über sein Gate gesteuert werden. Wird zum Abschalten die Gatespannung auf Null oder auf einen Wert unterhalb der Gate-Emitter-Schleusenspannung (bei IGBTs typischerweise zwischen 2 V und 5 V) momentan abgesenkt, können hohe Spannungen am Bauelement, also zwischen Kollektor und Emitter, auftreten. Diese Oberspannungen können das Bauelement zerstören.
• Daher muss die Abschaltung so erfolgen, dass die auftretende Überspannung begrenzt wird. Bekannte Vorrichtungen zur Über spannungsbegrenzung sehen Halbleiterbauelemente mit spannungsbegrenzender Funktion zwischen Kollektor und Gate des Leistungshalbleiterbauelementes vor. Solche Elemente sind z.B. bekannte Transil- oder Begrenzerdioden, d.h. Z-Dioden, die speziell für den Schutz vor Oberspannung eingesetzt werden. überschreitet die Kollektorspannung am Leistungshalbleiter die Knickspannung der Diode, fließt ein Strom auf das Gate. Dadurch wird der Leistungshalbleiter wieder aufgesteuert und die Kollektorspannung an ihm begrenzt.
• Verschiedene Ausführungsformen derartiger Vorrichtungen sind aus US 5,569,982 bekannt.
• Der Vorteil solcher Vorrichtungen besteht darin, dass eine hohe treibende Spannung zum Wiederaufsteuern zur Verfügung steht: Die Ladung, die auf das Gate gebracht werden kann, ergibt sich aus der Differenz der Spannung am Gate vor dem Aufsteuern (also der Schleusenspannung) und nach dem Aufsteuern (der Treiberspannung), dividiert durch den Gate-Widerstand. Die hohe Treiberspannung ermöglicht also eine schnelle Aufsteuerung, d.h. eine schnelle Reaktion auf die Überspannung.
• Die Vorrichtungen sind nachteilig darin, dass die Genauigkeit des spannungsbegrenzenden Eingriffs von den Eigenschaften der spannungsbegrenzenden Elemente abhängt. Beispielsweise hängt die Kennlinie einer Diode von ihrer Temperatur ab. Solche Störgrößen begrenzen die erzielbare Genauigkeit der geschilderten Verfahren.
• Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das zusätzlich vorzusehende Bauelement in seinen Eigenschaften (etwa der Spannungsfestigkeit) an das Leistungsbauelement im Leistungsmodul angepasst werden muss, und/oder die Ansteuerung des Leistungsmoduls die von den Leistungshalbleiterbauelement abweichenden Eigenschaften des zusätzlichen Bauelementes berücksichtigen muss, bspw. seine abweichende Spannungsfestigkeit. Darüber hinaus sind ggf. geänderte oder erweiterte Kühlungseinrichtungen für das zusätzliche Element erforderlich. Dies erhöht die Komplexität und die Kosten der Gesamtanordnung.
• Weiterhin sind Verfahren mit sogenanntem aktiven Überspannungseingriff bekannt, bei denen die Ansteuerungseinrichtung auch das Abschalten eines Leistungsbauelementes regelt. Hierzu ist die Ansteuerungseinrichtung in einer Weise mit dem Leistungsmodul verbunden, die es ihr ermöglicht, die Kollektorspannung am Leistungshalbleiter zu messen. Übersteigt die gemessene Spannung einen vorgegebenen Wert, erhöht die Ansteuerungseinrichtung die Steuerspannung, um so den Leistungshalbleiter wieder aufzusteuern und dadurch die Kollektorspannung zu begrenzen.
• Durch die Verwendung der Ansteuerungseinrichtung erhöht sich die erzielbare Genauigkeit. In dem Leistungsmodul selbst sind keine zusätzlichen Bauelemente erforderlich. Allerdings steht zur Regelung, d.h. als Treiberspannung, nur die maximale Gate-Spannung von typischerweise 15 V zur Verfügung. Daher ist die Dynamik beim Aufsteuern begrenzt: Es dauert, etwa im Vergleich zu den weiter oben geschilderten Verfahren, länger, die zum Aufsteuern erforderliche Ladung auf das Gate zu bringen.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht also darin, eine Überspannungsbegrenzung für gate-gesteuerte Leistungshalbleiterbauelemente in Leistungsmodulen anzugeben, die die geschilderten Nachteile des Standes der Technik in Bezug auf Genauigkeit und/oder geringe Dynamik vermeidet, ohne dass gleichzeitig solche Module komplex und in der Herstellung aufwendig werden.
• Diese Aufgabe wird durch ein Leistungsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren für ein solches Modul nach Anspruch 4 gelöst.
• Vorgeschlagen wird ein Leistungsmodul, das neben einem gategesteuertem Leistungshalbleiterbauelement, dessen Gate für die Ansteuerung durch eine externe Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, weiterhin ein gate-gesteuertes Steuerhalb leiterbauelement gleichen Typs wie das Leistungshalbleiterbauelement aufweist, dessen Gate ebenfalls für die Ansteuerung von extern vorgesehen ist. Dabei weist das Steuerhalbleiterbauelement eine kleinere Stromtragfähigkeit auf als das Leistungshalbleiterbauelement. Der Kollektor des Steuerhalbleiterbauelements ist mit dem Kollektor des Leistungshalbleiterbauelements und der Emitter des Steuerhalbleiterbauelements mit dem Gate des Leistungshalbleiterbauelements verbunden.
• Legt die Ansteuerungseinrichtung eine Steuerungsspannung am Gate des Steuerbaulementes an, schaltet dieses durch. Am Kollektor des Steuerbauelementes steht die am Leistungsbauelement anliegende hohe Kollektorspannung zur Verfügung, die nach dem Durchschalten des Steuerbauelementes als Treiberspannung für das Leistungsbauelement genutzt werden kann. Die Überspannungsbegrenzung weist also eine hohe Dynamik auf.
• Dennoch besteht das Leistungsmodul nur aus gate-gesteuerten Bauelementen des gleichen Typs. Hierdurch weist das Steuerhalbleiterbauelement inhärent die gleiche Spannungsfestigkeit wie das Leistungshalbleiterbauelement auf. Die Kühlung für das Steuerbauelement funktioniert in der gleichen Weise wie für das Leistungsbauelement, was die Kühlung für das Leistungsmodul vereinfacht.
• Gleichzeitig wird die Überspannungsbegrenzung durch die Ansteuerungseinrichtung geregelt, deshalb ist auch die Genauigkeit der Begrenzung hoch. Störgrößen, wie die Temperatur des Steuerbauelementes, wirken sich nicht auf die Überspannungsbegrenzung aus.
• Erfindungsgemäß weist das Steuerhalbleiterbauelement eine kleinere Stromtragfähigkeit des Steuerhalbleiters im Vergleich zu der des Leistungshalbleiterbauelements auf. Deshalb besitzt das Steuerhalbleiterbauelement eine kleinere Sperrträgheit als das Leistungshalbleiterbauelement. Hierdurch verkürzt sich die Schaltzeit des Steuerbauelementes, so dass auf eine auftretende Überspannung schnell reagiert werden kann.
• In Ausführungsformen der Erfindung kann jeweils ein Vorwiderstand am Gate-Anschluss des Steuerhalbleiterbauelements und/oder am Gate-Anschluss des Leistungshalbleiterbauelements vorgesehen sein. Hierdurch kann der Arbeitspunkt des jeweiligen Bauelementes festgelegt bzw. die Ansteuerungseinrichtung und die Elemente des Leistungsmoduls einander angepasst werden.
• In einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls werden ein Leistungshalbleiterbauelement und ein Steuerhalbleiterbauelement in einem gemeinsamen Fertigungsprozess hergestellt. Das Steuerhalbleiterbauelement wird in dem Fertigungsprozess mit einer kleineren Stromtragfähigkeit als das Leistungshalbleiterbauelement hergestellt. Danach werden das Leistungshalbleiterbauelement und das Steuerhalbleiterbauelement in ein Leistungsmodul integriert. Bei der Integration der Bauelemente in das Leistungsmodul werden der Kollektor des Steuerhalbleiterbauelements mit dem Kollektor des Leistungshalbleiterbauelements und der Emitter des Steuerhalbleiterbauelements mit dem Gate des Leistungshalbleiterbauelements verbunden.
• Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Bauelemente auf einfache Weise gemeinsam gefertigt werden können, da durch Festlegung der Parameter eines Leistungshalbleiterbauelements auch bereits das Steuerhalbleiterbauelement weitgehend bestimmt ist. Beide Bauelemente können auf einem gemeinsamen Chip aufgebaut werden oder auf separaten Chips angeordnet und über Bondverbindungen miteinander verbunden sein. Es können die gleichen Abscheideverfahren und Dotierungstechniken eingesetzt werden. Bei den meisten der für die Lithografieschritte erforderlichen Masken muss nicht zwischen Steuer- und Leistungshalbleiterelement unterschieden werden, mit Ausnahme der zum Aufbau der Gate-Emitter-Grenzschicht eingesetzten Masken. Die Lithografieschritte wie auch die Ätzverfahren können gemeinsam für beide Bauelemente durchgeführt werden. Durch den gemeinsamen Fertigungsprozess ist automatisch sichergestellt, dass bis auf die aus der unterschiedlichen Stromtragfähigkeit resultierenden Eigenschaften alle sonstigen Eigenschaften der Bauelemente gleich sind, was zu den weiter oben geschilderten Vorteilen beim Betrieb des Leistungsmoduls führt.
• Weiterhin kann das Steuerbauelement in gleicher Weise wie das Leistungsbauelement in das Leistungsmodul integriert werden. Da die Bauelemente bis auf die aus der unterschiedlichen Stromtragfähigkeit resultierenden Unterschiede in ihren elektrischen Eigenschaften, etwa der Spannungsfestigkeit, gleich sind, kann bspw. die Drucktechnik für die Leiterbahnen der Leiterplatte des Leistungsmoduls in Bezug auf diesen einen Typ von Bauelement optimal gewählt werden.
• Zusätzliche Bauelemente, bspw. zur Anpassung der Spannungsfestigkeit von Steuer- und Leistungsbauelement, sind nicht erforderlich. Insgesamt ermöglicht es die Erfindung, mit geringem Aufwand ein Modul mit gegenüber dem Stand der Technik dynamischerer Steuerung herzustellen, ohne anders geartete Bauelemente integrieren zu müssen.
• In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden Steuerhalbleiterbauelement und Leistungshalbleiterbauelement auf getrennten Chips in das Leistungsmodul integriert und werden jeweils zur Kühlung mit einem gemeinsamen Typ von wärmeableitenden Kühlkörpern verbunden. Da die inneren thermischen Widerstände der Bauelemente, wie auch deren maximal zulässige Sperrschichttemperaturen und Verlustleistungen gleich sind, kann die erforderliche Kühlung in einfacher Weise durch Verwendung gleicher Kühlkörper realisiert werden. Hierdurch ergibt sich ein Vorteil gegenüber der Verwendung von im Vergleich zu den Leistungsbauelementen anders gearteten Bautei len in dem Leistungsmodul, die eine Anpassung der Kühlung erforderlich machen, was bspw. dazu führt, das pro Modul mehrere Typen von Kühlkörpern verwendet werden müssen.
• Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden weiterhin anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Gegenüberstellung zum Stand der Technik verdeutlicht.
• Hierzu zeigt:
• 1 in einem Schaltplan ein gate-gesteuertes Leistungshalbleiterbauelement, nämlich einen Leistungs-IGBT, das mit einer Ansteuerungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik verschaltet ist;
• 2 in einem Schaltplan die Schaltung der 1, jedoch mit einem spannungsbegrenzenden Bauelement zwischen Kollektor und Gate des IGBT gemäß dem Stand der Technik;
• 3 in einem Schaltplan die Schaltung der 1, wobei jedoch die Ansteuerungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik zur Messung der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBTs und zur aktiven Spannungsbegrenzung ausgebildet ist;
• 4 in einem Schaltplan zusätzlich zu dem Leistungs-IGBT einen Steuer-IGBT, der mit dem Leistungs-IGBT und der Ansteuerungseinrichtung erfindungsgemäß verschaltet ist.
• In den Figuren werden gleiche Bezugsziffern für gleiche oder einander entsprechende Aspekte verwendet.
• In der 1 wird zunächst anhand eines vereinfachten Schaltplans der grundlegende Aufbau eines Leistungsmoduls 1 gezeigt, welches nur über ein Leistungshalbleiterbauelement 10 verfügt, nämlich einen IGBT. Dieser verfügt über einen Kollektor 12 und einen Emitter 13, über die der Arbeitsstromkreis verläuft, sowie ein Gate 11. Dieses ist über einen Vorwiderstand 31 mit einer Ansteuereinrichtung 40 verbunden.
• Während des Betriebs des Leistungsmoduls 1 wird der Leistungs-IGBT 10 von der Ansteuerungseinrichtung 40 über eine Steuerspannung 101 gesteuert. Der Vorwiderstand 31 stellt den Arbeitspunkt des Leistungs-IGBT 10 so ein, dass am Gate 11 die Treiberspannung 103 anliegt.
• Zum Abschalten des Leistungs-IGBT 10 senkt die Ansteuerungseinrichtung 40 die Steuerspannung 101 ab, so dass die am Gate 11 anliegende Treiberspannung 103 unter die Gate-Schleusenspannung des IGBT 10 fällt. Bei augenblicklichem Abschalten kann die Kollektorspannung sehr hohe Werte annehmen, aufgrund derer der Leistungs-IGBT 10 zerstört werden kann.
• 2 zeigt eine Schaltung entsprechend derjenigen der 1, die jedoch zur Überspannungsbegrenzung am Leistungsmodul 1 gemäß einem Stand der Technik ausgebildet ist. Neben dem Leistungs-IGBT 10 ist ein weiteres Bauelement 50 zur Spannungsbegrenzung in das Modul 1 integriert, nämlich eine Transildiode. Diese ist zwischen Gate 11 und Kollektor 12 des IGBT 10 geschaltet. Übersteigt die Kollektorspannung am IGBT 10 die Knickspannung der Diode, fließt ein Strom auf das Gate 11. Dadurch wird der Leistungshalbleiter 10 wieder aufgesteuert und die Kollektorspannung an ihm begrenzt.
• Der Vorteil der Schaltung liegt darin, dass eine hohe treibende Spannung zum Wiederaufsteuern zur Verfügung steht: Die Ladung, die auf das Gate 11 gebracht werden kann, ergibt sich aus der Differenz der Spannung am Gate 11 vor dem Aufsteuern (also der Schleusenspannung) und nach dem Aufsteuern (der Treiberspannung 103), dividiert durch den Gate-Widerstand. Die hohe Treiberspannung 103 ermöglicht also eine schnelle Aufsteuerung, d.h. eine schnelle Reaktion auf die Überspannung.
• Der Nachteil der Schaltung liegt darin, dass die Genauigkeit des spannungsbegrenzenden Eingriffs durch Eigenschaften der Diode begrenzt wird, bspw. durch die Temperaturabhängigkeit ihrer Kennlinie. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass in das Leistungsmodul 1 die Diode 50 integriert werden muss. Beispielsweise muss die Drucktechnik der Leiterbahnen an die beiden verschiedenen Bauelemente 1, 50 angepasst werden. Darüber hinaus müssen die Eigenschaften (etwa die Spannungsfestigkeit) der Bauelemente 1, 50 im Leistungsmodul 1 einander angepasst werden, und/oder die Ansteuerung des Leistungsmoduls 1 muss die von dem IGBT 10 abweichenden Eigenschaften der Diode 50 berücksichtigen. Außerdem ist für die Diode 50 ein anderer Kühlkörper erforderlich, sofern die Bauelemente durch jeweils einzeln zugeordnete Kühlkörper gekühlt werden. Dies erhöht die Komplexität und die Kosten des Moduls 1.
• In der 3 wird eine Schaltung entsprechend derjenigen der 1 gezeigt, die zusätzlich zur aktiven Überspannungsbegrenzung am Leistungsmodul 1 gemäß einem Stand der Technik ausgebildet ist. In das Leistungsmodul 1 werden hierzu keine zusätzlichen Bauelemente anderen Typs integriert, jedoch wird eine Anschlussleitung 42 zusätzlich vorgesehen, mittels derer die Ansteuerungseinheit 40 die Kollektorspannung am Leistungs-IGBT 10 misst. Übersteigt die gemessene Spannung einen vorgegebenen Wert, erhöht die Ansteuerungseinrichtung die Steuerspannung 101, und damit die Treiberspannung 103, um so den Leistungs-IGBT 10 wieder aufzusteuern und dadurch die Kollektorspannung an ihm zu begrenzen.
• Durch die Verwendung der Ansteuerungseinrichtung erhöht sich gegenüber dem in der 2 gezeigten Stand der Technik die erzielbare Genauigkeit. In dem Leistungsmodul selbst sind keine zusätzlichen Bauelemente eines anderen Typs als die Leistungstransistoren erforderlich, damit entfällt auch die aufwendige Herstellung. Ein wesentlicher Nachteil ist allerdings, dass zur Regelung der Abschaltung, d.h. als Treiberspannung 103, nur die maximale Gate-Spannung für normale Schaltvorgänge von typischerweise 15 V zur Verfügung steht. Daher ist die Dynamik beim Aufsteuern begrenzt: Es dauert, etwa im Vergleich zu der in Bezug auf die 2 geschilderten Anordnung, länger, die zum Aufsteuern erforderliche Ladung auf das Gate 11 zu bringen.
• Die 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul 1, dass mit einer Ansteuerungseinrichtung 40 verschaltet ist, welches zur Ansteuerung eines solchen Leistungsmoduls 1 ausgebildet ist. Das Leistungsmodul 1 enthält wie bisher ein Leistungshalbleiterbauelement 10, und zwar einen IGBT. Zusätzlich ist erfindungsgemäß ein Steuerhalbleiterelement 20 vorgesehen, welches vom gleichen Typ wie der Leistungs-IGBT 10 ist. Hierdurch kann das Leistungsmodul 1 in einfacher Weise hergestellt werden, etwa in Bezug auf die Bestückung des Moduls 1, und das Modul 1 besteht aus wenigen Bauelementen bzw. Unterkomponenten, bspw. kommt nur ein Typ Kühlkörper zur Verwendung (nicht gezeigt). Weiterhin kann die elektrische Verbindung der Bauelemente untereinander einfach ausgeführt sein, da keine ergänzenden Bauelemente erforderlich sind, um z.B. die Spannungsfestigkeit der Elemente anzupassen. Der Steuer-IGBT 20 weist im Vergleich zum Leistungs-IGBT 10 eine deutlich kleinere Stromtragfähigkeit auf. Daher ist die Schaltzeit des Steuer-IGBT 10 sehr kurz.
• Das Leistungsmodul 1 weist ferner die Vorwiderstände 31 und 32 auf, die jeweils mit dem Gate 11 bzw. 21 des Leistungs-IGBTs 10 bzw. Steuer-IGBTs 20 verbunden sind. Außerdem sind beide Vorwiderstände 31, 32 mit der Ansteuerungseinrichtung 40 verbunden; das Leistungsmodul 1 verfügt also über zwei Steueranschlüsse. Die Ansteuerung 40 ist mittels zweier weitere Anschlüsse 41, 42 mit dem Leistungsmodul 1 verbunden, über die die Kollektor-(Emitter-)Spannung am Leistungs-IGBT 10 des Leistungsmoduls 1 durch die Ansteuerungseinrichtung 40 bestimmt werden kann.
• Während des Betriebs des Leistungsmoduls 1 wird der Leistungs-IGBT 10 auf herkömmliche Weise durch eine von der Ansteuerungseinrichtunq 40 bereitgestellte Steuerspannung über das Gate-Anschluss 11 angesteuert, d.h. es wird die Steuer spannung 101 angelegt, wobei der Vorwiderstand 31 den Arbeitspunkt des Leistungs-IGBT 10 einstellt, so dass am Gate 11 die Treiberspannung 103 anliegt.
• Zum Abschalten des Leistungs-IGBT 10 senkt die Ansteuerungseinrichtung 40 die Steuerspannung 101 ab, so dass die am Gate 11 anliegende Treiberspannung 103 unter die Gate-Schleusenspannung des IGBT 10 fällt. Bei augenblicklichem Abschalten kann die Kollektorspannung sehr hohe Werte annehmen, aufgrund derer der Leistungs-IGBT 10 zerstört werden kann.
• Die Kollektorspannung wird von der Ansteuerungseinrichtung 40 über den Anschluss 42 abgefragt. Übersteigt die Kollektorspannung einen vorgegebenen, für den Leistungs-IGBT 10 maximal zulässigen Wert, erhöht die Ansteuerungseinrichtung 40 die Steuerspannung, die über den Vorwiderstand 32 am Gate 21 des Steuer-IGBTs 20 anliegt. Am Kollektor des Steuer-IGBTs 20 liegt die hohe Kollektorspannung des Leistungs-IGBTs 10 an. Aufgrund der erhöhten Steuerspannung fließt durch den Steuer-IGBT 20 ein Strom, welcher das Gate des Leistungs-IGBT 10 innerhalb sehr kurzer Zeit auflädt und damit den Leistungs-IGBT 10 wieder aufsteuert und so die Kollektorspannung begrenzt.
• Die Kollektorspannung, die über den Kollektor 22 und Emitter 23 des Steuer-IGBTs 20 am Gate 11 des Leistungs-IGBTs anliegt, kann höher sein als die Gate-Maximalspannung von 15 V, die für normale Schaltvorgänge am Gate 11 verwendet wird. Dadurch, dass diese hohe Kollektorspannung statt der Gate-Maximalspannung zur Aufsteuerung des Leistungs-IGBTs 10 verwendet wird, kann die Aufsteuerung in sehr kurzer Zeit erfolgen: Die Ladung, die auf das Gate 11 aufgebracht wird, ist eine Funktion der Differenz der zum Aufregeln angelegten Treiberspannung und der vor der Aufregelung anliegenden Spannung, also der Schleusenspannung. Je größer die Differenz, desto größer die aufgebrachte Ladung, und desto schneller erfolgt das Aufregeln, durch das auf das Anliegen einer zu hohen Kollektorspannung am IGBT 10 reagiert wird.
• Die Ansteuerungseinrichtung 10 regelt den Leistungs-IGBT 10 in Reaktion auf die gemessene Kollektorspannung auf, die am IGBT 10 anliegt; Abhängigkeiten von Störgrößen, wie etwa der Temperatur der Bauelemente, werden dadurch minimiert. Daher kann der spannungsbegrenzende Eingriff mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen, d.h. die Kollektorspannung kann mit sehr hoher Genauigkeit begrenzt werden.
• Leistungsmodul und Ansteuerungseinrichtung können, beispielsweise durch die Wahl der Vorwiderstände 31, 32 angepasst werden. Zum Beispiel kann, wie hier geschildert, die Ansteuerungseinrichtung normale Schaltvorgänge über das Gate 11 steuern, während das Gate 21 für den Überspannungseingriff zur Überspannungsbegrenzung angesteuert wird.
• Das Leistungsmodul 1 kann etwa auch an einer herkömmlichen Ansteuerungseinrichtung betrieben werden, die nicht zur Ansteuerung des zweiten Gates 21 ausgebildet ist. In diesem Fall wird der Steuer-IGBT 20 nicht genutzt, jedoch ist der herkömmliche aktive Überspannungseingriff über das Gate 11 des Leistungs-IGBT 10 unverändert möglich.
• Die Erfindung ist nicht auf das hier geschilderte Ausführungsbeispiel und die erwähnten Abwandlungen beschränkt, sondern im Rahmen der anhängenden Ansprüche weiterhin in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
• So können z.B. in einem erfindungsgemäßen Leistungsmodul statt IGBTs auch andere gate-gesteuerte Leistungshalbleiterbauelemente zum Einsatz kommen, etwa Abschaltthyristoren.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung a) umfassend ein Leistungsmodul (1) und eine externe Ansteuereinrichtung (40), die zur Ansteuerung des Leistungsmoduls (1) eingerichtet ist, b) wobei das Leistungsmodul (1) ein gate-gesteuertes Leistungshalbleiterbauelement (10) mit Kollektor (12), Emitter (13) und Gate (11) umfasst, b1) wobei das Gate (11) des Leistungshalbleiterbauelements (10) elektrisch mit der Ansteuerungseinrichtung (40) verbunden ist, b2) wobei die Ansteuereinrichtung eine Steuerspannung zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterbauelements (10) bereitstellt, c) wobei das Leistungsmodul (1) ein gate-gesteuertes Steuerhalbleiterbauelement (20) mit Kollektor (22), Emitter (23) und Gate (21) umfasst, c1) wobei das Gate (21) des Steuerhalbleiterbauelements (20) elektrisch mit der Ansteuerungseinrichtung (40) verbunden ist, c2) wobei die Ansteuereinrichtung (40) eine Steuerspannung zur Ansteuerung des Steuerhalbleiterbauelements (20) bereitstellt, d) wobei Leistungshalbleiterbauelement (10) und Steuerhalbleiterbauelement (20) d1) vom gleichen Typ sind und d2) die gleiche Spannungsfestigkeit aufweisen und d3) wobei das Steuerhalbleiterbauelement (20) eine kleinere Stromtragfähigkeit aufweist als das Leistungshalbleiterbauelement (10), e) wobei der Kollektor (22) des Steuerhalbleiterbauelements (20) mit dem Kollektor (12) des Leistungshalbleiterbauelements (10) und der Emitter (23) des Steuerhalbleiterbauelements (20) mit dem Gate (11) des Leistungshalbleiterbauelements (10) verbunden ist und damit das Steuer halbleiterbauelement (20) das Leistungshalbleiterbauelement (10) ansteuert, f) wobei die Ansteuereinrichtung (40) eine von der Temperatur einzelner Bauelemente völlig oder zumindest weitestgehend unabhängige Regelung zur Begrenzung der Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterbauelements (10) umfasst, f1) wobei die Ansteuereinrichtung (40) für diese Regelung die Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterbauelements (10) abfragt (41, 42) und f2) bei Überschreitung eines vorgegebenen Wertes die am Gate (21) des Steuerhalbleiterbauelement (20) anliegende Steuerspannung derart erhöht, dass durch das Steuerhalbleiterbauelement (20) ein Strom fließt, der das Gate (11) des Leistungshalbleiterbauelements (10) auflädt und damit das Leistungshalbleiterbauelement (10) auf steuert, wodurch die am Leistungshalbleiterbauelement (10) anliegende Kollektor-Emitter-Spannung begrenzt ist.
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (10) und das Steuerhalbleiterbauelement (20) IGBTs sind.
3. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (10) und das Steuerhalbleiterbauelement (20) in einem im Wesentlichen gleichen und/oder in einem gemeinsamen Fertigungsprozess hergestellt sind.
4. Verfahren zur Herstellung eines für eine Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeten und bestimmten Leistungsmoduls (1), a) bei dem in einem gemeinsamen Fertigungsprozess ein Leistungshalbleiterbauelement (10) und ein Steuerhalbleiterbauelement (20) hergestellt werden, a1) die vom gleichen Typ sind und a2) die die gleiche Spannungsfestigkeit aufweisen, a3) wobei das Steuerhalbleiterbauelement (20) mit einer kleineren Stromtragfähigkeit als das Leistungshalbleiterbauelement (10) hergestellt wird, und b) bei dem das Leistungshalbleiterbauelement (10) und das Steuerhalbleiterbauelement (20) in das Leistungsmodul (1) integriert werden, b1) wobei bei der Integration der Bauelemente in das Leistungsmodul (1) der Kollektor (22) des Steuerhalbleiterbauelements (20) mit dem Kollektor (12) des Leistungshalbleiterbauelements (10) und der Emitter (23) des Steuerhalbleiterbauelements (20) mit dem Gate (11) des Leistungshalbleiterbauelements (10) verbunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fertigung von Leistungshalbleiterbauelement (10) und Steuerhalbleiterbauelement (20) die gleichen Abscheideverfahren und Dotierungstechniken eingesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerhalbleiterbauelement (20) und Leistungshalbleiterbauelement (10) auf getrennten Chips in das Leistungsmodul (1) integriert werden und zur Kühlung jeweils ein Bauelement mit einem Kühlkörper eines gemeinsamen Typs von Kühlkörper verbunden wird.