DE112005002029B4 - Kaskodierter Gleichrichter - Google Patents

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Abstract

Geschaltetes Hochspannungsgleichrichtergerät (30), umfassend: eine Niederspannungsstruktur, gebildet aus einer Diode (D1, 32); eine Hochspannungsstruktur, gebildet aus einem bidirektionalen, normalerweise angeschalteten Halbleiterschalter (10); wobei die Hochspannungs- und die Niederspannungsstruktur in einer Kaskodenanordnung geschaltet sind; wobei eine Kathode (36) der Diode (D1, 32) mit einem ersten Sourceanschluss (12) des bidirektionalen, normalerweise eingeschalteten Halbleiterschalters (10) verbunden ist; wobei eine Anode (34) der Diode (D1, 32) mit einem ersten Gate-Anschluss (18) des bidirektionalen, normalerweise eingeschalteten Halbleiterschalters (10) und mit einem Eingangsanschluss (38) verbunden ist; wobei ein zweiter Source-Anschluss (14) des bidirektionalen, normalerweise eingeschalteten Halbleiterschalters (10) mit einem zweiten Gate-Anschluss (22) des bidirektionalen, normalerweise eingeschalteten Halbleiterschalters (10) über eine Kopplungsstruktur verbunden ist und mit einem Ausgangsanschluss (40) verbunden ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Hochspannungsgleichrichtergeräte und insbesondere solche Geräte, die erheblich geringere Durchlassleitungs- und Schaltungsverluste aufweisen als herkömmliche Geräte.
  • STAND DER TECHNIK
  • Bipolare Gleichrichter werden herkömmlich für Hochspannungsanwendungen (z. B. über 200–300 V) verwendet. Diese Gleichrichter sind typisch mit einer p-i-n-Struktur umgesetzt, um eine adäquate Durchbruchfähigkeit in Rückwärtsrichtung bereitzustellen. Der intrinsische Bereich muss jedoch einen hohen Leitungswiderstand aufweisen, damit das Gerät ordnungsgemäß funktionieren kann. Dies führt zu einem hohen Spannungsabfall im Durchlassleitungsmodus und ist in vielen Hochstromanwendungen die Hauptquelle von Leistungsverlusten.
  • In einigen Fällen können Gleichrichter durch Schalter ersetzt werden, die mit zugewiesenen Steuerschaltungen gesteuert werden. Diese Gleichrichter werden synchrone Gleichrichterschaltungen genannt und bieten den Vorteil, Durchlassleitungsverluste zu reduzieren und schnelles Schalten bereitzustellen, jedoch erfordert dies die Verwendung aktiver Schaltungen, um den erforderlichen Status zu ermitteln und den Schalter selbst zu betätigen.
  • Ein Ansatz, der in dem Bestreben unternommen wurde, den Durchlasswiderstand in Hochspannungsschaltern zu verringern, ist in der Patentschrift US 6,483,369 B1 für COMPOSITE MOSFET CASCODE SWITCHES FOR POWER CONVERTERS dargestellt.
  • In dem patentierten Gerät ist eine zusammengesetzte Struktur gebildet aus einem Hochspannungs-MOSFET mit großer Maskengröße, der in Kaskode mit einem Niederspannungs-MOSFET mit geringer Maskengröße angeordnet ist, um die Effizienz und die Schaltgeschwindigkeit zum verbessern. Dieser Ansatz ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass er zusätzliche Steuerschaltungen erfordert, um eine synchrone Gleichrichterfunktion auszuführen.
  • Das Dokument US 5,258,640 A betrifft ein Bauteil mit integriertem Gate und mit einer Halbleiterbarriereschicht, das als reguläre Diode funktioniert, wenn das Gate abgeschaltet ist und als Schottky-Diode funktioniert, wenn das Gate eingeschaltet ist.
  • Das Dokument US 5,008,565 A betrifft eine FET-Schaltung mit hoher Impedanz, bei der die Anode einer Diode elektrisch mit einer ersten Seite FET verbunden ist und die Kathode der Diode mit dem Gate des FET verbunden ist. Die Diode spannt den FET vor, um den Strom einer zweiten Seite zu reduzieren, wenn die zweite Seite auf einem positiven Potenzial bezüglich der Kathode der Diode liegt.
  • Dementsprechend besteht immer noch ein Bedarf an einem einfachen, schnell schaltenden Gleichrichtergerät mit geringem Verlust zur Verwendung bei Hochspannung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bedient den oben genannten Bedarf, indem sie ein zusammengesetztes Gerät gemäß Anspruch 1 bereitstellt, das einen normalerweise angeschalteten, bidirektionalen Schalter umfasst, der in einer Kaskode-Anordnung mit einer Niederspannungsdiode wie etwa einer Schottky-Diode oder dergleichen geschaltet ist.
  • Bevorzugt sind die beiden Teile auf einem gemeinsamen Substrat gefertigt und verkapselt, um so einen integrierten Schaltkreis (IC) mit einer minimalen Anzahl von eins, beispielsweise nur 2 Pins, zu bilden. Andere Komponenten können in den IC integriert sein, um zusätzliche Funktionalitäten bereitzustellen.
  • Bidirektionale Schalter dieser Art sind in der Lage, Strom in beide Richtungen zu leiten und zu sperren. Sie sind typisch mit zwei Steuerpins oder Gates umgesetzt, um den Stromfluss zwischen zwei Source-Klemmen (Source-Anschlüssen) zu steuern. Das Gerät ist normalerweise angeschaltet: es muss eine negative Vorspannung zwischen mindestens einem der jeweiligen Gate-Source-Paaren angelegt sein, um das Gerät auszuschalten. Ist eines der Gates mit Sperrvorspannung versehen, so fließt zwischen den Source-Klemmen kein Strom. Ein Garät dieser Art ist beispielsweise in der Patentschrift US 4,608,590 A dargestellt.
  • Die Niederspannungsdiode ist bevorzugt zwischen eines der Gate-Source-Paare geschaltet, so dass das zusammengesetzte Gerät selbstangetrieben ist. Das andere Gate-Source-Paar kann bei 0 Volt gehalten werden, indem die beiden Klemmen miteinander verschaltet werden, oder es kann ein externes Steuersignal verwendet werden, um ein Gerät mit drei Klemmen bereitzustellen, das in der Art eines SCR (Silicon Controlled Rectifier, Siliziumgleichrichter) oder eines Thyristors funktioniert. Außerdem können mehrere Geräte kombiniert sein: z. B. können vier der Gerate als IC gefertigt sein, um eine Gleichrichterbrücke zu bilden, oder es kann eines der Geräte antiparallel mit einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) integriert werden, um die Schutzfunktion für den IGBT gegen Freilaufen oder Sperrstrom bereitzustellen. Andere Anwendungsmöglichkeiten des Geräts erschließen sich dem Fachmann ohne Weiteres aus der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung stellt erheblich reduzierte Leitungsverluste im Vergleich zu herkömmlichen Hochspannungsgleichrichtern bereit und schafft gleichzeitig eine dramatisch verbesserte Schaltgeschwindigkeit, da kein Sperrerholstrom vorhanden ist. Der einzige Strom in Rückwärtsrichtung ist der kapazitive Verschiebungsstrom des kleinen Schottky-Gleichrichters, der typisch um einige Größenordnungen kleiner als in bipolaren Hochspannungsgleichrichtern ist.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Hochspannungsgleichrichterstruktur mit sehr geringen Durchlassleitungsverlusten und schneller Schaltzeit bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Gleichrichtergerät bereitzustellen, das aus einer Niederspannungsdiode und einem bidirektionalen, normalerweise angeschalteten Schalter gebildet ist, die in einer Kaskode-Anordnung geschaltet sind.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Gerät in verschiedenen Schaltungsanwendungen einzusetzen, insbesondere in einem Gerät mit zwei Klemmen, das als Gleichrichter dient, in einem Gerät mit drei Klemmen, das in der Art eines SCR oder Thyristors funktioniert, in einem Vollbrückengleichrichter oder in einer antiparallelen Anordnung mit einem IGBT.
  • Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, solche Geräte als integrierte Schaltkreise bereitzustellen.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden Beschreibung der Erfindung, die sich auf die dazugehörigen Zeichnungen bezieht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 stellt einen bidirektionalen, normalerweise angeschalteten Schalter dar, der als eine Komponente der erfindungsgemäßen Geräte verwendet werden kann.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Umsetzung der Erfindung, um die Funktion eines Diodengleichrichters bereitzustellen.
  • 3 zeigt eine beispielhafte Umsetzung der Erfindung, um einen gesteuerten Gleichrichter mit drei Klemmen bereitzustellen.
  • 4A stellt eine herkömmliche Vollbrückengleichrichtertopologie dar, und 4B zeigt eine Umsetzung der vorliegenden Erfindung, um die Funktionalität des Brückengleichrichters der 4A bereitzustellen.
  • 5A zeigt einen IGBT mit einer herkömmlichen Diode, die in einer antiparallelen Anordnung zwischen die Emitter- und die Kollektorklemme geschaltet ist, und 5B zeigt die Umsetzung der Schaltung der 5A, die ein Gleichrichtergerät gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt.
  • In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • 1 stellt einen bidirektionalen, normalerweise leitenden Halbleiterschalter dar, der als eine der Komponenten der Geräte gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Schalter, allgemein mit 10 gekennzeichnet, ist ein bekanntes Gerät, das in der Lage ist, Strom zwischen einer ersten Source-Klemme (Source-Anschluss) 12 und einer zweiten Source-Klemme (Source-Anschluss) 14 in beide Richtungen zu leiten und zu sperren. Die Steuerung wird bereitgestellt von einer Vorspannungsquelle 16, die zwischen eine erste Gate-Klemme 18 und die Source-Klemme 12 geschaltet ist, und von einer zweiten Spannungsquelle 30, die zwischen eine zweiten Gate-Klemme 22 und die Source-Klemme 14 geschaltet ist. Ein Gerät dieser Art ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass, wenn eine negative Vorspannung unterhalb eines programmierten Schwellenwerts auf entweder eines oder beide der Gate-Source-Paare angelegt ist, das Gerät ausgeschalten ist, d. h. eine Spannung zwischen den Source-Klemmen aufrecht erhält. Nur wenn die Spannung an beiden Gates Null beträgt, kann Strom zwischen den beiden Source-Klemmen fließen. Geräte dieser Art sind handelsüblich von verschiedenen Quellen als einzelne Elemente beziehbar, und IC-Fertigungstechniken zur Herstellung dieser Geräte sind bekannt.
  • 2 zeigt, wie der Schalter 10 der 1 verwendet werden kann, um einen Hochspannungsgleichrichter zu bilden. Das dargestellte Gerät, allgemein mit 30 bezeichnet, umfasst den Schalter 10 und einen Niederspannungsgleichrichter 32, wie etwa einen Schottky- oder Sperrgleichrichter, dessen Anode 34 an die Gate-Klemme 18 angeschlossen ist und dessen Katode 36 an die Source-Klemme 12 angeschlossen ist. Vorteilhaft sind der Schalter 10 und die Diode 32 auf einem gemeinsamen Substrat gefertigt und verkapselt, um einen integrierten Schaltkreis mit extern zugänglichen „Anoden-” und „Katoden”-Klemmen 38 und 40 zu bilden. Um dem Gerät 30 die Funktion als eine Diode zu ermöglichen, wird die Source-Klemme 14 direkt an die Gate-Klemme 22 angeschlossen, entweder mit einer externen Brücke oder mit einer direkten internen Verbindung.
  • In Gerät 30 fließt, wenn die Spannung VAK zwischen der Eingangsklemme 38 und der Ausgangsklemme 40 positiv ist, Strom in der Niederspannungsdiode 32, und die Vorspannung VGS1 an der Gate-Klemme 18 ist gleich dem Durchlassspannungsabfall der Diode 32. Da dies eine positive Spannung ist, erhält sie das Gerät 10 im angeschalteten Zustand.
  • Wird VAK negativ, so wird die Diode 32 mit Sperrvorspannung belegt und entwickelt eine Spannung, die gleich oder größer als der Gate- Schwellenwert für den Schalter 10 ist, der sich dann ausschaltet und die gesamte VAK-Spannung aufrechterhält.
  • 3 stellt dar, wie das Gerät 30 modifiziert werden kann, um einen gesteuerten Gleichrichter mit drei Klemmen bereitzustellen. Ein solches Gerät, allgemein mit 40 bezeichnet, verwendet das zweite Gate-Source-Paar 22-14 als Steuerung, um das Gerät an- und auszuschalten, so dass die Funktion eines Thyristors oder SCR erreicht werden kann, jedoch ohne den Einrastmechanismus, der für diese Geräte typisch ist. Mit anderen Worten kann der Schalter unabhängig von der Spannung aktiviert werden, die an seine Stromversorgungs-Pins angelegt wird. Hier ist die direkte Verbindung zwischen der Source 14 und dem Gate 22 durch eine externe Steuersignalquelle ersetzt, die von einer Spannungsquelle 42 dargestellt ist, die zwischen Null und einem geeigneten negativen Wert variiert. Ist die Steuersignalspannung Null, so wird der Zustand des Schalters 10 nur von VAK bestimmt. Ist die Steuersignalspannung negativ, so schaltet sich der Schalter 10 ab, unabhängig von VAK. Das Gerät 40 funktioniert somit ähnlich wie ein SCR oder ein Thyristor.
  • 4A zeigt mit 46 eine herkömmliche Vollbrückengleichrichterschaltung mit einem Wechselspannungseingang 48, der zwischen die Klemmen 50 und 52 geschaltet ist, und positiven und negativen Ausgangsgleichspannungen, die an den Klemmen 54 und 56 bereitgestellt werden. 4B stellt die Realisierung einer solchen Brückenschaltung 46' mit Hilfe von Gleichrichtergeräten 30a–30d der in 2 dargestellten Art dar.
  • Hier ist die Wechselspannungsquelle an die Klemmen 50 zwischen den Gleichrichtergeräten 30a und 30d und an die Klemme 52 zwischen den Gleichrichtergeräten 30b und 30c angeschlossen. Die Ausgänge 54 und 56 sind jeweils zwischen den Gleichrichtergeräten 30a und 30b sowie 30c und 30d bereitgestellt. Die dargestellte Anordnung stellt die Funktionalität einer Vollbrückengleichrichterschaltung mit der Hochspannung, dem geringen Leitungsverlust und dem schnellen Schalten dar, die von dem Gleichrichtergerät 30 bereitgestellt wird.
  • 5A stellt einen herkömmlichen IGBT 60 mit einer Diode 62 dar, die antiparallel geschalten ist. 5B stellt die gleiche Schaltung dar, in der die Diode 62 durch das Gleichrichtergerät 30 ersetzt ist.

Claims (14)

  1. Geschaltetes Hochspannungsgleichrichtergerät (30), umfassend: eine Niederspannungsstruktur, gebildet aus einer Diode (D1, 32); eine Hochspannungsstruktur, gebildet aus einem bidirektionalen, normalerweise angeschalteten Halbleiterschalter (10); wobei die Hochspannungs- und die Niederspannungsstruktur in einer Kaskodenanordnung geschaltet sind; wobei eine Kathode (36) der Diode (D1, 32) mit einem ersten Sourceanschluss (12) des bidirektionalen, normalerweise eingeschalteten Halbleiterschalters (10) verbunden ist; wobei eine Anode (34) der Diode (D1, 32) mit einem ersten Gate-Anschluss (18) des bidirektionalen, normalerweise eingeschalteten Halbleiterschalters (10) und mit einem Eingangsanschluss (38) verbunden ist; wobei ein zweiter Source-Anschluss (14) des bidirektionalen, normalerweise eingeschalteten Halbleiterschalters (10) mit einem zweiten Gate-Anschluss (22) des bidirektionalen, normalerweise eingeschalteten Halbleiterschalters (10) über eine Kopplungsstruktur verbunden ist und mit einem Ausgangsanschluss (40) verbunden ist.
  2. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Niederspannungs- und die Hochspannungsstrukturen auf einem gemeinsamen Substrat gefertigt und verkapselt sind, um einen integrierten Schaltkreis zu bilden.
  3. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Kopplungsstruktur eine direkte Verbindung ist, wodurch das Gerät als Diode funktioniert.
  4. Brückengleichrichtergerät (46'), das ein erstes (30a), ein zweites (30b), ein drittes (30c) und ein viertes (30b) geschaltetes Gleichrichtergerät nach Anspruch 3 umfasst, wobei: der Eingangsanschluss des ersten geschalteten Gleichrichters und der Ausgangsanschluss des vierten geschalteten Gleichrichters mit einem ersten Brückeneingangsanschluss (50) verbunden sind; der Eingangsanschluss des zweiten geschalteten Gleichrichters und der Ausgangsanschluss des dritten geschalteten Gleichrichters mit einem zweiten Brückeneingangsanschluss (52) verbunden sind; der Ausgangsanschluss des ersten und des zweiten geschalteten Gleichrichters mit einem ersten Brückenausgangsanschluss (54) verbunden sind; der Eingangsanschluss des dritten und des vierten geschalteten Gleichrichters mit einem zweiten Brückenausgangsanschluss (56) verbunden sind; und das Brückengleichrichtergerät dazu eingerichtet ist, eine Eingangswechselspannung an den Brückeneingangsanschlüssen (50 52) aufzunehmen und eine gleichgerichtete Vollwellengleichspannung an den Brückenausgangsanschlüssen (54, 56) bereitzustellen.
  5. Brückengleichrichtergerät nach Anspruch 4, wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte geschaltete Gleichrichtergerät (30a, 30b, 30c, 30d) auf einem gemeinsamen Substrat als Teil eines einzelnen integrierten Schaltkreises gebildet sind.
  6. Gerät nach Anspruch 2, wobei die Kopplungsstruktur eine extern gesteuerte Spannungsquelle ist, wodurch das Gerät als ein gesteuerter Gleichrichter mit drei Anschlüssen funktioniert.
  7. Gerät nach Anspruch 3, wobei sich jeweils das erste, das zweite, das dritte und das vierte geschaltete Gleichrichtergerät (30a, 30b, 30c, 30d) in Kombination mit einem IGBT (60) befinden, wobei der IGBT Emitter- und Kollektoranschlüsse besitzt, die mit den Anoden- und Kathodenanschlüssen des Gleichrichtergeräts (30) in einer antiparallelen Anordnung verbunden sind.
  8. Kombiniertes Gerät nach Anspruch 7, wobei das Gleichrichtergerät (30) und der IGBT (60) auf einem gemeinsamen Substrat als Teil eines einzelnen integrierten Schaltkreises gebildet sind.
  9. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Niederspannungsstruktur eine Schottky- (32) oder eine Barriere-Diode ist.
  10. Brückengleichrichtergerät (46') nach Anspruch 4, wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte geschaltete Gleichrichtergerät (30a, 30b, 30c, 30d) auf einem gemeinsamen Substrat als Teil eines einzelnen integrierten Schaltkreises gebildet sind.
  11. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät derart konstruiert und konfiguriert ist, dass es als eine Diode funktioniert.
  12. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät derart konstruiert und konfiguriert ist, dass es als ein gesteuerter Gleichrichter mit drei Anschlüssen funktioniert.
  13. Gerät nach Anspruch 1 in Kombination mit einem IGBT (60), wobei der IGBT Emitter- und Kollektoranschlüsse aufweist, die mit Anoden- und Kathodenanschlüssen des Gleichrichtergeräts in einer antiparallelen Anordnung verbunden sind.
  14. Kombiniertes Gerät nach Anspruch 13, wobei das Gleichrichtergerät (30) und der IGBT (60) auf einem gemeinsamen Substrat als Teil eines einzelnen integrierten Schaltkreises gebildet sind.
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