DE19756873A1 - Elektrische Schaltungsanordnung zur Transformation von magnetischer Feldenergie in elektrische Feldenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zur Transformation von magnetischer Feldenergie in elektri­ sche Feldenergie, mit wenigstens einem ersten Speicherelement für magnetische Feldenergie, einem zweiten Speicherelement für elektrische Feldenergie, einem Halbleiterventilelement und einem elektrischen Schaltelement, welches wenigstens ei­ nen ersten und einen zweiten Schaltzustand einnehmen kann, welche derartig miteinander verschaltet sind, daß im ersten Schaltzustand des Schaltelements magnetische Feldenergie im ersten Speicherelement speicherbar ist, und im zweiten Schaltzustand des Schaltelements die magnetische Feldenergie aus dem ersten Speicherelement, über das Halbleiterventilele­ ment geleitet, in das zweite Speicherelement für elektrische Feldenergie transformierbar ist.

Einen Schwachpunkt bei derartigen, bekannten elektrischen Schaltungsanordnungen zur Transformation von magnetischer Feldenergie in elektrische Feldenergie stellt insbesondere das Halbleiterventilelement dar: Pro Energietransformations­ vorgang ist das Halbleiterventilelement in Durchgangsrichtung einerseits hohen Spannungsschwankungen in der Höhe von annä­ hernd der Eingangsspannung der Schaltungsanordnung ausge­ setzt. Andererseits sollte das Halbleiterventilelement in Sperrichtung bis zu einem Mehrfachen der Eingangsspannung der Schaltungsanordnung spannungsfest sein. Dabei unterliegt das Halbleiterventilelement einer hohen Wechselbelastung zwischen Durchgangs- und Sperrzustand. Die Leistungsfähigkeit des Halbleiterventilelements beschränkt somit maßgeblich die Lei­ stungsfähigkeit der gesamten Schaltungsanordnung.

Herkömmliche Halbleiterventilelemente sind in der Regel aus Silicium Si hergestellt. Diese weisen den Nachteil auf, daß hohe Sperrspannungen nur mittels entsprechend dicker Halblei­ terübergangsschichten im Halbleiterventilelement erreichbar sind. Dicke Halbleiterübergangsschichten weisen aber den Nachteil auf, hohe dynamische Schaltverluste aufzuweisen. Die dynamischen Schaltverluste entstehen vorwiegend beim Übergang des Halbleiterventilelements vom Sperr- in den Durchgangszu­ stand und umgekehrt, insbesondere durch den Auf- und Abbau von Minoritäts- bzw. Majoritätsträgern. Die dynamischen Schaltverluste verursachen entsprechend hohe thermische Ver­ luste, die zur Destabilisierung des Halbleiterventilelements führen können. Des weiteren begrenzt die maximal vom Halblei­ terventilelement abführbare Verlustleistung aufgrund deren maximalen thermischen Beständigkeit die Schaltfrequenz des Schaltelements der Schaltungsanordnung und damit deren Lei­ stungsfähigkeit. Umgekehrtproportional zur Taktfrequenz sind insbesondere das erste Speicherelement für magnetische Felde­ nergie und das zweite Speicherelement für elektrische Felde­ nergie dimensionierbar. Mit höheren Schaltfrequenzen verrin­ gert sich dementsprechend deren Baugröße.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Schaltungsan­ ordnung zur Transformation von magnetischer Feldenergie in elektrische Feldenergie anzugeben, in welcher die oben aufge­ führten Nachteile erheblich reduziert sind.

Die Aufgabe wird gelöst mit den in den Ansprüchen 1, 5, 7 und 9 angegebenen elektrischen Schaltungsanordnungen, sowie den gemäß der Ansprüche 15 bis 20 verwendeten elektrischen Schal­ tungsanordnungen.

Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanord­ nung ist es, daß das Halbleitermaterial des Halbleiterventi­ lelements einen Bandabstand von wenigstens 2 eV und eine Durchbruchfeldstärke von wenigstens 5.10ˆ5 V/cm aufweist.

Vorteil insbesondere weiterer Ausführungsvarianten der erfin­ dungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung ist es, daß das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements Siliziumcar­ bid, Galliumnitrid oder Diamant enthält.

Vorteil einer weiteren erfindungsgemäßen elektrischen Schal­ tungsanordnung ist es, daß das Halbleitermaterial des Halb­ leiterventilelements Siliziumcarbid enthält und insbesondere einen Bandabstand von etwa 3 eV und eine Durchbruchfeldstärke von etwa 25.10ˆ5 V/cm aufweist.

Vorteil einer weiteren erfindungsgemäßen elektrischen Schal­ tungsanordnung ist es, daß das Halbleitermaterial des Halb­ leiterventilelements Galliumnitrid enthält und insbesondere einen Bandabstand von etwa 3,2 eV und eine Durchbruchfeld­ stärke von etwa 30.10ˆ5 V/cm aufweist.

Vorteil einer weiteren erfindungsgemäßen elektrischen Schal­ tungsanordnung ist es, daß das Halbleitermaterial des Halb­ leiterventilelements Diamant enthält und insbesondere einen Bandabstand von etwa 5,5 eV und eine Durchbruchfeldstärke von etwa 100.10ˆ5 V/cm aufweist.

Durch den im Vergleich mit Silicium großen Bandabstand des jeweiligen Halbleitermaterials des Halbleiterventilelements der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnungen wird vorteilhaft bewirkt, daß das Halbleiterventilelement eine ho­ he thermische Stabilität aufweist. Somit bleibt das Halblei­ terventilelement auch bei hohen Betriebstemperaturen voll funktionstüchtig und in einem stabilen Betriebszustand. Des weiteren sind die erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungs­ anordnungen durch die im Vergleich mit Silicium hohe Durch­ bruchfeldstärke des jeweiligen Halbleitermaterials des Halb­ leiterventilelements auch bei hohen Betriebsspannungen be­ treibbar. Dadurch ist die erfindungsgemäße elektrische Schal­ tungsanordnung vorteilhaft auch als Leistungsschaltung mit hohen Sperrspannungen betreibbar.

Durch die hohe Durchbruchfeldstärke ist insbesondere die Halbleitermaterialdicke des Halbleiterventilelements verrin­ gerbar. Dadurch reduzieren sich vorteilhaft die dynamischen und thermischen Verluste im Halbleiterventilelement. Einer­ seits ist dieses dadurch geringeren Belastungen ausgesetzt, andererseits ist die Schaltfrequenz des Schaltelements der elektrischen Schaltungsanordnung vergrößerbar. Eine höhere Schaltfrequenz ermöglicht es insbesondere, die Bauteile, vor­ zugsweise das erste Speicherelement für magnetische Feldener­ gie und das zweite Speicherelement für elektrische Feldener­ gie wesentlich kleiner dimensionieren zu können. Damit ist einerseits eine Steigerung der Leistungsfähigkeit der ges am­ ten elektrischen Schaltungsanordnung verbunden. Andererseits verringert sich die Baugröße der elektrischen Schaltungsan­ ordnung.

Besonders vorteilhaft ist es in einer Ausführungsform der Er­ findung, daß das Halbleiterventilelement eine Diode bzw. ins­ besondere eine Schottky-Diode ist. Schottky-Dioden mit einem Halbleitermaterial gemäß der oben aufgeführten Eigenschaften weisen erhebliche Vorteile auf. Die Schottky-Diode braucht keine oder lediglich noch eine geringe Überdimensionierung zumindest bezüglich der technischen Eigenschaften aufzuwei­ sen. Die Sperrspannung der Schottky-Diode ist hoch genug, um die erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnungen auch bei hohen Betriebsspannungen einzusetzen. Andererseits kann der Halbleiter-Metall-Übergang der Schottky-Diode trotz hoher Sperrspannungstragfähigkeiten dünn dimensioniert werden, so daß die dynamischen Verluste auch bei hohen Schaltfrequenzen des Schaltelements gering sind. Dies ermöglicht es, die vor­ teilhaften Charakteristika von Schottky-Dioden auch bei hohen Betriebsspannungen und bei hohen Schaltfrequenzen als Halb­ leiterventilelemente der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung zu verwenden.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung, sind die erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnungen in einer Hochsetzsteller-, Tiefsetzsteller-, Durchflußwandler- oder Leistungsfaktor- Controller-Schaltung verwendet.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird des weiteren anhand der in den nachfolgend kurz angeführten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Dabei zeigt beispielhaft:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung zur Transformation von magnetischer Feldenergie in elektrische Feldenergie,

Fig. 2 eine Darstellung von Bandabständen mit wenigstens 2 eV von Halbleitermaterialien des Halbleiterventilelements, mit einem Übergang beispielhaft zu einem metallischen Schottkykontakt,

Fig. 3 eine Darstellung von Durchbruchfeldstärken mit wenig­ stens 5.10ˆ5 V/cm von Halbleitermaterialien des Halb­ leiterventilelements,

Fig. 4 eine Hochsetzstellerschaltung mit einer erfindungsgemä­ ßen elektrischen Schaltungsanordnung,

Fig. 5 eine Tiefsetzstellerschaltung mit einer erfindungsgemä­ ßen elektrischen Schaltungsanordnung,

Fig. 6 eine Durchflußwandlerschaltung mit einer erfindungsge­ mäßen elektrischen Schaltungsanordnung, und

Fig. 7 eine Leistungsfaktor-Controller-Schaltung mit einer er­ findungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung.

In der Fig. 1 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße elek­ trische Schaltungsanordnung G zur Transformation W von magne­ tischer Feldenergie M in elektrische Feldenergie E darge­ stellt. Der elektrischen Schaltungsanordnung G ist insbeson­ dere die Eingangsspannung UE zugeführt und weist wenigstens ein erstes Speicherelement L für magnetische Feldenergie M und ein zweites Speicherelement C für elektrische Feldenergie E auf. Des weiteren weist die elektrische Schaltungsanordnung G ein Halbleiterventilelement D und ein elektrisches Schalte­ lement S auf. Das elektrische Schaltelement S kann wenigstens einen ersten und einen zweiten Schaltzustand S1 bzw. S2 ein­ nehmen. Das erste Speicherelement L, das zweite Speicherele­ ment C, das Halbleiterventilelement D und das elektrische Schaltelement S sind derartig miteinander verschaltet, daß im ersten Schaltzustand S1 des Schaltelements S magnetische Fel­ denergie M im ersten Speicherelement L speicherbar ist, und im zweiten Schaltzustand S2 des Schaltelements S die magneti­ sche Feldenergie M aus dem ersten Speicherelement L in das zweite Speicherelement C für elektrische Feldenergie E trans­ formierbar ist. Der bei der Transformation von magnetischer Feldenergie M in elektrische Feldenergie E entstehende Ener­ giefluß wird über das Halbleiterventilelement D geleitet. Da­ bei weist das Halbleiterventilelement D insbesondere eine Durchgangs- und eine Sperrichtung auf, so daß in Durchgangs­ richtung eine Transformation von magnetischer Feldenergie M in elektrische Feldenergie E ermöglicht wird, die im zweiten Speicherelement C gespeicherte elektrische Feldenergie E aber aufgrund der Sperrichtung nicht auf das erste Speicherelement L zurückwirken kann.

Im Beispiel der Fig. 1 fließt im ersten Schaltzustand S1 des Schaltelements S ein aus der Eingangsspannung UE gespeister Strom I1 durch das erste Speicherelement L, wodurch in diesem magnetische Feldenergie M aufgebaut wird. Die Eingangsspan­ nung UE kann eine Wechsel- oder aber auch eine Gleichspannung sein. Durch Übergang des Schaltelements S in den zweiten Schaltzustand S2 wird der Strom I1 unterbrochen, wodurch ein zumindest aus dem ersten Speicherelement L gespeister und über das Halbleiterventilelement D in deren Durchgangsrich­ tung fließender Strom I2 entsteht. Der Strom I2 fließt in das zweite Speicherelement C und bewirkt in diesem den Aufbau von elektrische Feldenergie E, insbesondere in Form der Spannung UC.

Wie in der Fig. 1 bereits beispielhaft dargestellt ist, ist in einer Ausführungsform der Erfindung das erste Speicherele­ ment L vorzugsweise ein induktives Element, beispielsweise eine Spule. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Speicherelement C vorzugsweise ein kapazitives Element, beispielsweise ein Kondensator. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das elektrische Schaltele­ ment S vorzugsweise ein Halbleiterschaltelement, beispiels­ weise ein Feldeffekttransistor. In einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung ist dem Halbleiterventilelement D we­ nigstens ein weiteres, insbesondere gleichartiges Halbleiter­ ventilelement D' parallel geschaltet. Die Parallelschaltung ist vorteilhaft ohne weitere Zusatzmaßnahmen möglich, da das im folgenden weiter beschriebene Halbleiterventilelement D bzw. D' einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Dieses liegt insbesondere in Form einer Diode vor, vorzugs­ weise einer Schottky-Diode. Im folgenden wird die Erfindung anhand der hier beispielhaft aufgeführten Bauelemente weiter beschrieben.

In den Fig. 2 und 3 beispielhaft dargestellt ist, weist das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements D gemäß der Erfindung einen Bandabstand VB von wenigstens 2 eV, in Elektronenvolt, und eine Durchbruchfeldstärke EK von wenig­ stens 5.10ˆ5 V/cm, in Volt pro Zentimeter, auf. Die Darstel­ lung "10ˆ5" entspricht dabei der Darstellung "1E+5".

In der Fig. 2 ist beispielhaft symbolisiert der Bandabstand VB des Halbleitermaterials des Halbleiterventilelements D mit erfindungsgemäß wenigstens 2 eV dargestellt. Der Bandabstand VB ist dabei die Energiedifferenz zwischen dem Energieniveau des Valenzbands EV und dem Energieniveau des Leitungsbands EC. Hilfsweise ist zusätzlich das Energieniveau des Fermini­ veaus eingezeichnet. Die Darstellung der Fig. 2 ist bei­ spielhaft auf einen Halbleiterübergang zu einem metallischen Schottkykontakt in Richtung der Ordintate bezogen. In der Fig. 3 ist beispielhaft symbolisiert die Durchbruchfeldstärke EK des Halbleitermaterials des Halbleiterventilelements D mit erfindungsgemäß wenigstens 5.10ˆ5 V/cm dargestellt. Auf der Abszisse der Darstellung der Fig. 3 sind beispielhaft Werte einer Dotierung in 1/cmˆ3 des Halbleitermaterials des Halb­ leiterventilelements D dargestellt. Die Größenangaben dieser Dotierung stellen lediglich beispielhaft gewählte Größen dar.

In verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung G enthält das Halbleitermate­ rial des Halbleiterventilelements D insbesondere Siliziumcar­ bid SiC, Galliumnitrid GaN oder Diamant Cdia, d. h. Kohlen­ stoff mit Diamant-Kristallgitterstruktur, wobei das Halblei­ termaterial einen Bandabstand VB von wenigstens 2 eV und eine Durchbruchfeldstärke EK von wenigstens 5.10ˆ5 V/cm aufweist.

In weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung enthält das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements D insbesonde­ re Siliziumcarbid SiC, Galliumnitrid GaN oder Diamant Cdia.

Enthält das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements D einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung G bzw. einer Ausführungsvariante der Er­ findung Siliziumcarbid SiC, so weist dieses insbesondere ei­ nen Bandabstand VB von etwa 3 eV und eine Durchbruchfeldstär­ ke EK von etwa 25.10ˆ5 V/cm auf, wie in den Fig. 2 und 3 beispielhaft dargestellt ist.

Enthält das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements D einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung G bzw. einer Ausführungsvariante der Er­ findung Galliumnitrid GaN, so weist dieses insbesondere einen Bandabstand VB von etwa 3,2 eV und eine Durchbruchfeldstärke EK von etwa 30.10ˆ5 V/cm auf, wie in den Fig. 2 und 3 bei­ spielhaft dargestellt ist.

Enthält das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements D einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung G bzw. einer Ausführungsvariante der Er­ findung Diamant Cdia, so weist dieses insbesondere einen Bandabstand VB von etwa 5,5 eV und eine Durchbruchfeldstärke EK von etwa 100.10ˆ5 V/cm auf, wie ebenfalls in den Fig. 2 und 3 beispielhaft dargestellt ist.

In den Fig. 4 bis 7 sind beispielhaft vorteilhafte Schal­ tungsanordnungen dargestellt, in denen die Erfindung verwen­ det ist.

In der Fig. 4 ist beispielhaft eine Hochsetzstellerschaltung H mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanord­ nung G dargestellt, der insbesondere eine Eingangsspannung UE1 zugeführt ist und welche eine Ausgangsspannung UA1 auf­ weist. Die Hochsetzstellerschaltung H weist beispielsweise eine Spule L11, einen Feldeffekttransistor S11 eine Halblei­ terdiode D11, insbesondere eine Schottky-Diode, und einen Kondensator C11 auf. Die Spule L11 liegt in Serie mit der Eingangsspannung UE1. Parallel zur Eingangsspannung UE1 sind hinter der Spule L11 der Feldeffekttransistor S11 und der Kondensator C11 angeordnet. Zwischen dem Feldeffekttransistor S11 und dem Kondensator C11 und in Serie zur Spule L11 ist die Halbleiterdiode D11 in Durchgangsrichtung angeordnet. Die Halbleiterdiode D11 weist erfindungsgemäß ein Halbleitermate­ rial gemäß der Erfindung auf. Beim Ein- und Ausschalten des Feldeffekttransistors S11 wird magnetische Feldenergie aus der Spule L11 in den Kondensator C11 als elektrische Felde­ nergie transformiert.

In der Fig. 5 ist beispielhaft eine Tiefsetzstellerschaltung T mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanord­ nung G dargestellt, der insbesondere eine Eingangsspannung UE2 zugeführt ist und welche eine Ausgangsspannung UA2 auf­ weist. Die Tiefsetzstellerschaltung T weist beispielsweise eine Spule L21, einen Feldeffekttransistor S21 eine Halblei­ terdiode D21, insbesondere eine Schottky-Diode, und einen Kondensator C21 auf. Der Feldeffekttransistor S21 liegt in Serie mit der Eingangsspannung UE2. Parallel zur Eingangs­ spannung UE2 sind hinter dem Feldeffekttransistor S21 in Sperrichtung die Halbleiterdiode D21 und der Kondensator C21 angeordnet. Zwischen der Halbleiterdiode D21 und dem Konden­ sator C21 und in Serie zum Feldeffekttransistor S21 ist die Spule L21 angeordnet. Die Halbleiterdiode D21 weist erfin­ dungsgemäß ein Halbleitermaterial gemäß der Erfindung auf. Beim Ein- und Ausschalten des Feldeffekttransistors S11 wird magnetische Feldenergie aus der Spule L21 in den Kondensator C21 als elektrische -Feldenergie transformiert.

In der Fig. 6 ist beispielhaft eine Durchflußwandlerschal­ tung DW mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungs­ anordnung G dargestellt, der insbesondere eine Eingangsspan­ nung UE3 zugeführt ist und welche eine Ausgangsspannung UA3 aufweist. Dabei weist ein Primärschaltkreis DW1 und/oder ein Sekundärschaltkreis DW2 der Durchflußwandlerschaltung DW die erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung G auf. Der Primär- und der Sekundärschaltkreis DW1 bzw. DW2 sind vor­ zugsweise mittels eines Transformators T3 voneinander entkop­ pelt. Der Primärschaltkreis DW1 weist beispielsweise einen ersten Kondensator C31, eine erste Spule L31, eine erste Halbleiterdiode D31, insbesondere eine Schottky-Diode, und einen ersten Feldeffekttransistor S31 auf. In der Regel ist die erste Spule L31 dabei eine Teilwicklung der Primärspulen­ wicklung, insbesondere eine sogenannte Abmagnetisierungswick­ lung, des Transformators T3. Der Sekundärschaltkreis DW2 weist beispielsweise eine zweite Halbleiterdiode D32, insbe­ sondere eine Schottky-Diode, eine dritte Halbleiterdiode D33, eine zweite Spule L32 und einen zweite Kondensator C32 auf. Beim Ein- und Ausschalten des Feldeffekttransistors S31 wird magnetische Feldenergie aus der ersten Spule L31 in den er­ sten Kondensator C31 als elektrische Feldenergie transfor­ miert.

Im Primärschaltkreis DW1 sind parallel zur Eingangsspannung UE3 der Kondensator C31, die mit der ersten Halbleiterdiode D31 in Serie und in Sperrichtung geschaltete erste Spule L31, sowie der mit der Primärseite des Transformators T3 in Serie geschaltete erste Feldeffekttransistor S31 angeordnet. Beim Ein- und Ausschalten des Feldeffekttransistors S31 wird ma­ gnetische Feldenergie aus der ersten Spule L31 in den ersten Kondensator C31 als elektrische Feldenergie transformiert.

Im Sekundärschaltkreis DW2 liegt in Serie zur Sekundärseite des Transformators T3 in Durchgangsrichtung die dritte Halb­ leiterdiode D33. Parallel zur Sekundärseite des Transforma­ tors T3 sind hinter der dritten Halbleiterdiode D33 in Sper­ richtung die zweite Halbleiterdiode D32 und der zweite Kon­ densator C32 angeordnet. Zwischen der zweiten Halbleiterdiode D32 und dem zweiten Kondensator C32 und in Serie zur dritten Halbleiterdiode D33 ist die zweite Spule L32 angeordnet. Beim Ein- und Ausschalten des Feldeffekttransistors S31 wird ma­ gnetische Feldenergie aus der zweiten Spule L32 in den zwei­ ten Kondensator C32 als elektrische Feldenergie transfor­ miert.

Die erste und/oder die zweite Halbleiterdiode D31 bzw. D32, vorzugsweise aber beide, weisen erfindungsgemäß ein Halblei­ termaterial gemäß der Erfindung auf. Die dritte Halbleiterdi­ ode D33 kann ebenfalls ein Halbleitermaterial gemäß der Er­ findung aufweisen.

In der Fig. 7 ist beispielhaft eine Leistungsfaktor-Schal­ tung PFC einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsan­ ordnung G dargestellt, der insbesondere eine Eingangsspannung UE4 zugeführt ist und welche eine Ausgangsspannung UA4 auf­ weist. Die Leistungsfaktor-Schaltung PFC wird insbesondere auch als sogenannte "Power-Factor-Controller"-Schaltung be­ zeichnet. Dabei weist ein äußerer Kaskadenschaltkreis PA und/oder ein innerer Kaskadenschaltkreis PI der Leistungsfak­ tor-Schaltung PFC die erfindungsgemäße elektrische Schal­ tungsanordnung G auf. Der äußere Kaskadenschaltkreis PA weist beispielsweise eine erste Spule L41, einen ersten Feldeffekt­ transistor S41 und eine erste Halbleiterdiode D41, insbeson­ dere eine Schottky-Diode, auf. Der innere Kaskadenschaltkreis PI weist beispielsweise eine zweite Spule L42, eine zweite Halbleiterdiode D42, insbesondere eine Schottky-Diode, und eine dritte Halbleiterdiode D43 auf. Der äußere und der inne­ re Kaskadenschaltkreis PA bzw. PI weisen einen gemeinsamen Kondensator C41 auf. Beim Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Feldeffekttransistoren S41 bzw. S42 wird magnetische Feldenergie aus der ersten Spule L41 und magnetische Felde­ nergie aus der zweiten Spule L42 in den Kondensator C41 als elektrische Feldenergie transformiert.

Im äußeren Kaskadenschaltkreis PA liegt die erste Spule L41 in Serie mit der Eingangsspannung UE4. Parallel zur Eingangs­ spannung UE4 sind hinter der ersten Spule L41 der erste Fel­ deffekttransistor S41 und der Kondensator C41 angeordnet. Zwischen dem ersten Feldeffekttransistor S41 und dem Konden­ sator C41 und in Serie zur ersten Spule L41 ist die erste Halbleiterdiode D41 in Durchgangsrichtung angeordnet. Beim Ein- und Ausschalten des ersten Feldeffekttransistors S41 wird magnetische Feldenergie aus der ersten Spule L41 in den Kondensator C41 als elektrische Feldenergie transformiert.

Im inneren Kaskadenschaltkreis PI ist an den gemeinsamen Kno­ tenpunkt zwischen erster Spule L41, erstem Feldeffekttransi­ stor S41 und erster Halbleiterdiode D41 die zweite Spule L42 angeschlossen. Parallel zum ersten Feldeffekttransistor S41 sind hinter der zweiten Spule L42 sind der in Serie mit der in Durchgangsrichtung geschalteten dritten Halbleiterdiode D43 liegende zweite Feldeffekttransistor S42 und der Konden­ sator C41 angeordnet. Zwischen dem zweiten Feldeffekttransi­ stor S42 und dem Kondensator C41 und in Serie zur zweiten Spule L42 ist die zweite Halbleiterdiode D42 in Durchgangs­ richtung angeordnet.

Die erste und/oder die zweite Halbleiterdiode D41 bzw. D42, vorzugsweise aber beide, weisen erfindungsgemäß ein Halblei­ termaterial gemäß der Erfindung auf. Die dritte Halbleiterdi­ ode D43 kann ebenfalls ein Halbleitermaterial gemäß der Er­ findung aufweisen.

Claims (21)

1. Elektrische Schaltungsanordnung (G) zur Transformation (W) von magnetischer Feldenergie (M) in elektrische Feldenergie (E), mit wenigstens einem ersten Speicherelement (L) für ma­ gnetische Feldenergie (M), einem zweiten Speicherelement (C) für elektrische Feldenergie (E), einem Halbleiterventilele­ ment (D) und einem elektrischen Schaltelement (S) welches we­ nigstens einen ersten und einen zweiten Schaltzustand (S1, S2) einnehmen kann,

• a) welche derartig miteinander verschaltet sind, daß
  • a1) im ersten Schaltzustand (S1) des Schaltelements (S) magnetische Feldenergie (M) im ersten Speicherelement (L) speicherbar ist, und
  • a2) im zweiten Schaltzustand (S2) des Schaltelements (S) die magnetische Feldenergie (M) aus dem ersten Spei­ cherelement (L), über das Halbleiterventilelement (D) geleitet, in das zweite Speicherelement (C) für elek­ trische Feldenergie (E) transformierbar ist (Fig. 1),
  dadurch gekennzeichnet, daß
• b) das Halbleiterventilelement (D) einen Bandabstand (VB) von wenigstens 2 eV und eine Durchbruchfeldstärke (EK) von wenigstens 5.10ˆ5 V/cm aufweist (Fig. 2, Fig. 3).

2. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Halblei­ termaterial des Halbleiterventilelements (D) Siliziumcarbid (SiC) enthält.

3. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Halblei­ termaterial des Halbleiterventilelements (D) Galliumnitrid (GaN) enthält.

4. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Halblei­ termaterial des Halbleiterventilelements (D) Diamant (C-Diamant) enthält.

5. Elektrische Schaltungsanordnung (G) zur Transformation (W) von magnetischer Feldenergie (M) in elektrische Feldenergie (E), mit wenigstens einem ersten Speicherelement (L) für ma­ gnetische Feldenergie (M), einem zweiten Speicherelement (C) für elektrische Feldenergie (E), einem Halbleiterventilele­ ment (D) und einem elektrischen Schaltelement (S) welches we­ nigstens einen ersten und einen zweiten Schaltzustand (S1, S2) einnehmen kann,

• a) welche derartig miteinander verschaltet sind, daß
  • a1) im ersten Schaltzustand (S1) des Schaltelements (S) magnetische Feldenergie (M) im ersten Speicherelement (L) speicherbar ist, und
  • a2) im zweiten Schaltzustand (S2) des Schaltelements (S) die magnetische Feldenergie (M) aus dem ersten Spei­ cherelement (L), über das Halbleiterventilelement (D) geleitet, in das zweite Speicherelement (C) für elek­ trische Feldenergie (E) transformierbar ist (Fig. 1),
  dadurch gekennzeichnet, daß
• b) das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements (D) Siliziumcarbid (SiC) enthält.

6. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß das Halbleiterventilelement (D) einen Bandabstand (VB) von etwa 3 eV und eine Durchbruchfeldstärke (EK) von etwa 25.10ˆ5 V/cm aufweist (Fig. 2, Fig. 3, SiC).

7. Elektrische Schaltungsanordnung (G) zur Transformation (W) von magnetischer Feldenergie (M) in elektrische Feldenergie (E), mit wenigstens einem ersten Speicherelement (L) für ma­ gnetische Feldenergie (M), einem zweiten Speicherelement (C) für elektrische Feldenergie (E), einem Halbleiterventilele­ ment (D) und einem elektrischen Schaltelement (S) welches we­ nigstens einen ersten und einen zweiten Schaltzustand (S1, S2) einnehmen kann,

• a) welche derartig miteinander verschaltet sind, daß
  • a1) im ersten Schaltzustand (S1) des Schaltelements (S) magnetische Feldenergie (M) im ersten Speicherelement (L) speicherbar ist, und
  • a2) im zweiten Schaltzustand (S2) des Schaltelements (S) die magnetische Feldenergie (M) aus dem ersten Spei­ cherelement (L), über das Halbleiterventilelement (D) geleitet, in das zweite Speicherelement (C) für elek­ trische Feldenergie (E) transformierbar ist (Fig. 1),
  dadurch gekennzeichnet, daß
• b) das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements (D) Galliumnitrid (GaN) enthält.

8. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet daß das Halbleiterventilelement (D) einen Bandabstand (VB) von etwa 3,2 eV und eine Durchbruchfeldstärke (EK) von etwa 30.10ˆ5 V/cm aufweist (Fig. 2, Fig. 3, GaN)

9. Elektrische Schaltungsanordnung (G) zur Transformation (W) von magnetischer Feldenergie (M) in elektrische Feldenergie (E), mit wenigstens einem ersten Speicherelement (L) für ma­ gnetische Feldenergie (M), einem zweiten Speicherelement (C) für elektrische Feldenergie (E), einem Halbleiterventilele­ ment (D) und einem elektrischen Schaltelement (S) welches we­ nigstens einen ersten und einen zweiten Schaltzustand (S1, S2) einnehmen kann,

• a) welche derartig miteinander verschaltet sind, daß
  • a1) im ersten Schaltzustand (S1) des Schaltelements (S) magnetische Feldenergie (M) im ersten Speicherelement (L) speicherbar ist, und
  • a2) im zweiten Schaltzustand (S2) des Schaltelements (S) die magnetische Feldenergie (M) aus dem ersten Spei­ cherelement (L), über das Halbleiterventilelement (D) geleitet, in das zweite Speicherelement (C) für elek­ trische Feldenergie (E) transformierbar ist (Fig. 1),
  dadurch gekennzeichnet, daß
• b) das Halbleitermaterial des Halbleiterventilelements (D) Diamant (C-Diamant) enthält.

10. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterventilelement (D) einen Bandabstand (VB) von etwa 5,5 eV und eine Durchbruchfeldstärke (EK) von etwa 100.10ˆ5 V/cm aufweist (Fig. 2, Fig. 3, C-Diamant)

11. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste Speicherelement (L) für magnetische Feldenergie (M) ein induktives Element (L) ist, insbesondere eine Spule.

12. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das zweite Speicherelement (C) für elektrische Feldenergie (E) ein kapazitives Element (C) ist, insbesondere ein Kondensator.

13. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das elektrische Schaltelement (S) ein Halblei­ terschaltelement (S) ist, insbesondere ein Feldeffekttransi­ stor.

14. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Halbleiterventilelement (D) wenigstens ein weiteres Halbleiterventilelement (D') parallel geschalten ist.

15. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Halbleiterventilelement (D) und/oder das weitere Halbleiterventilelement (D') eine Schottky-Diode ist.

16. Verwendung einer elektrischen Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche in einer Hochsetzsteller­ schaltung (H, D11; Fig. 4).

17. Verwendung einer elektrischen Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche in einer Tiefsetzsteller­ schaltung (T, D21; Fig. 5).

18. Verwendung einer elektrischen Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche im Primärschaltkreis (DW1, D31) einer Durchflußwandlerschaltung (DW; Fig. 6).

19. Verwendung einer elektrischen Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche im Sekundärschaltkreis (DW2, D32) einer Durchflußwandlerschaltung (DW; Fig. 6).

20. Verwendung einer elektrischen Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche im äußeren Kaskaden­ schaltkreis (PA, D41) einer Leistungsfaktor-Schaltung (PFC; Fig. 7).

21. Verwendung einer elektrischen Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche im inneren Kaskaden­ schaltkreis (PI, D42) einer Leistungsfaktor-Controller- Schaltung (PFC; Fig. 7).