WO2000077933A1 - Circuit comprising a disconnectable power semiconductor switch - Google Patents

Circuit comprising a disconnectable power semiconductor switch Download PDF

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WO2000077933A1
WO2000077933A1 PCT/DE2000/001872 DE0001872W WO0077933A1 WO 2000077933 A1 WO2000077933 A1 WO 2000077933A1 DE 0001872 W DE0001872 W DE 0001872W WO 0077933 A1 WO0077933 A1 WO 0077933A1
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semiconductor switch
circuit
blocking
low
voltage
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PCT/DE2000/001872
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Inventor
Benno Weis
Eric Baudelot
Manfred Bruckmann
Heinz Mitlehner
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement with a power semiconductor switch that can be switched off in accordance with the preamble of claim 1.
  • switchable semiconductor switches e.g. Insulated gate bipolar transistors (IGBT) or metal oxide layer field-effect transistors (MOSFET) are used, so that the aforementioned requirements can be met without additional passive components in the power circuit by controlling the semiconductor switch alone.
  • IGBT Insulated gate bipolar transistors
  • MOSFET metal oxide layer field-effect transistors
  • the output voltage of this semiconductor switch is monitored during the conducting state of the semiconductor switch. Based on the known output characteristic, the level of the output voltage is a measure of the current which the semiconductor switch carries. If the semiconductor switch carries an overcurrent, its output voltage rises, whereby this rise becomes disproportionately strong with very large currents (short-circuit case). The rise in the output voltage of the semiconductor switch is used as a signal for an overcurrent or short-circuit current.
  • Such a circuit with saturation monitoring for a switching transistor is known from EP 0 361 212 Bl. This circuit arrangement has a desaturation measuring circuit, which is linked on the input side by means of a decoupling diode to a collector terminal of the switching transistor.
  • this desaturation measuring circuit is connected to a switch-off device which is arranged in the gate supply line.
  • this circuit arrangement has a protective circuit which has a timing element on the input side and a series circuit comprising a zener diode and an off switch electrically in parallel with the base-emitter path of the switching transistor.
  • the control signal of the switching transistor is present at the input of the timing element, a control signal being present at its output.
  • This control signal which is the time-delayed control signal, opens the switch and simultaneously activates the desaturation measuring circuit. As soon as the control signal is withdrawn, the switch immediately returns to its rest position (closed).
  • this protective circuit limits the collector current of the switching transistor when it has been connected to an existing short circuit, and on the other hand it only activates the desaturation measuring circuit when the switching transistor is in nominal operation.
  • the measuring circuit for detecting the desaturation of the power semiconductor switch must be decoupled in the switched-off state of the semiconductor switch by a high-blocking component, which is generally a diode, the diode having to have the dielectric strength of the power semiconductor switch .
  • a high-blocking component which is generally a diode, the diode having to have the dielectric strength of the power semiconductor switch .
  • the desaturation measuring circuit must be deactivated until the collector-emitter voltage of the power semiconductor switch has dropped to its stationary end value (saturation voltage). Switches the power semiconductor Switch to an existing short circuit or if a short circuit occurs immediately after switching on, this short circuit is not recognized, but the collector current of the switching transistor is limited,
  • the design of the power semiconductor switch must be designed to saturate at the lowest possible current values. This limits the optimization of the power semiconductor switch, for example, to improved transmission behavior.
  • the invention is based on the object of specifying a circuit arrangement which no longer has the disadvantages described.
  • a cascode circuit consisting of a series circuit of a low and high blocking semiconductor switch, is used as a power semiconductor switch that can be switched off, the output voltage of the low blocking semiconductor switch is used for the desaturation measuring circuit.
  • the high-blocking semiconductor switch does not have to be optimized for a low desaturation current. Since the output voltage of the low-blocking semiconductor switch is now used for the detection of desaturation, the dielectric strength of the decoupling diode drops to the level of the low-blocking semiconductor switch of the cascode circuit. It is now also possible to optimize the two semiconductor switches of the cascode circuit separately.
  • the low-blocking semiconductor switch is optimized for low forward voltage and low desaturation current, whereas the high-blocking semiconductor switch of the cascode circuit is optimized with regard to improved forward behavior.
  • a hybrid power MOSFET is used as the cascode circuit, which as the low-blocking semiconductor switch is a MOSFET, in particular a self-blocking n-channel MOSFET, and the high-blocking semiconductor switch is a barrier layer FET, in particular a self-conducting n-channel blocking layer - FET, wherein the gate connection of the junction FET is connected to the source connection of the MOSFET by means of a resistor.
  • the junction FET is also referred to as a junction field effect transistor (JFET).
  • This special configuration of the cascode circuit ensures that the maximum reverse voltage of the MOSFET is 30 V. Therefore a high voltage decoupling of the desaturation measuring circuit is not necessary.
  • the output voltage of the MOSFET drops so quickly due to an Em-switching signal that the load current can only increase slightly during this very short time interval.
  • the saturation voltage of the MOSFET is available as a signal for short-circuit detection after a short time. It is therefore possible for a short circuit to be detected when the cascode circuit switches to an existing short circuit.
  • no blanking circuit is required for the desaturation measuring circuit.
  • a cascade connection of a MOSFET with a voltage-controlled semiconductor switch is used as the cascode circuit, the gate connection of the voltage-controlled semiconductor switch being linked to the source connection of the MOSFET by means of a constant voltage source.
  • FIG. 2 shows an advantageous embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • pass characteristics of the low and high blocking semiconductor switch of the cascode circuit according to FIG. 2 are shown
  • FIG. 4 shows a diagram over time t of the load current and the output voltages of the two semiconductor switches of the cascode circuit according to FIG. 2
  • FIG. 5 shows a further advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
  • This circuit arrangement has a cascode circuit 2, consisting of a series connection of a low and high blocking semiconductor switches 4 and 6, as a power semiconductor switch that can be switched off.
  • this circuit arrangement also has a desaturation measuring circuit 8 and a control device 10.
  • the desaturation measuring circuit 8 is linked on the input side by means of a decoupling diode 12 to a drain terminal D 'of the low-blocking semiconductor switch 4 of the cascode circuit 2 and on the output side to an input of the control circuit 10.
  • this drive circuit 10 is linked to the gate and source terminals G 'and S' of the low-blocking semiconductor switch 4 of the cascode circuit 2.
  • the anode of this decoupling diode 12 is a voltage supply by means of a resistor R GD with a positive supply voltage + U V the control circuit 12 connected.
  • the decoupling diode 12 blocks and a current flows from the voltage supply (not shown in more detail) to the desaturation measuring circuit 8, which then generates an error signal S F s.
  • This error signal S S causes the control circuit 10 to suppress the control signal U S t > which causes the low-blocking semiconductor switch 4 and the high-blocking semiconductor switch 6 of the cascode circuit 2 to be switched off.
  • a hybrid power MOSFET is provided as the cascode circuit 2.
  • This hybrid power MOSFET has a self-locking n-channel MOSFET, in particular a low-voltage power MOSFET, as a low-blocking semiconductor switch 4, and a self-conducting junction FET as a high-blocking semiconductor switch 6.
  • This high blocking junction FET is also referred to as a junction field effect transistor (JFET).
  • the low-blocking MOSFET of this cascode circuit 2 has an internal bipolar diode D ⁇ .N , which is connected antiparallel to the MOSFET and is generally referred to as an inverse diode or internal freewheeling diode.
  • the normally-off n-channel MOSFET is made of silicon, whereas the normally-off n-channel JFET is made of silicon carbide.
  • This hybrid power MOSFET is designed for a high reverse voltage of over 600 V and yet has only low losses in the pass band.
  • This cascode circuit 2 is controlled by means of the gate voltage UQ 'S' of the normally-off MOSFET. If this MOSFET is switched on or the anti-parallel internal diode D N of the MOSFET carries a current, then the dram voltage is U D'S . of the MOSFET approximately zero.
  • the gate voltage U G s ' of the JFET is zero to little or negative.
  • the largest drain current I D flows through the JFET.
  • the MOSFET is switched off, the dram voltage U D ' s- increases until the maximum permissible reverse voltage of the MOSFET is reached.
  • the value of the reverse voltage in a low-voltage power MOSFET is, for example, 30 V.
  • the drain current I D of the JFET is zero. That is, the JFET is turned off.
  • FIG. 4 shows a switch-on process of the cathode circuit 2 according to FIG. 2 in more detail.
  • the gate of the low-blocking MOSFET is charged at the time to by the level change of the control signal U S f from "low” to "high".
  • the drain voltage U D ' S ' of the low-blocking MOSFET drops very quickly.
  • the MOSFET of the cascode circuit 2 is already in the saturated state at time ti. This very rapidly falling dram voltage U D ' s ' of the MOSFET is fed back as a control voltage to the gate of the JFET.
  • the time range t ⁇ ⁇ t 0 is so short that a load current I D can only increase slightly in this range.
  • the load current I D increases to its stationary end value.
  • the Dra source voltage U DS ' at the JFET then drops to its saturation value until time t 3 .
  • the desaturation measuring circuit 8 When using conventional power semiconductors, such as, for example, IGBT, power MOSFET, bipolar transistor, the desaturation measuring circuit 8 must be masked out until time t 3 . Since the length of the time range t 3 -t 0 also increases sharply both with the load current I D and with the commutation voltage, the "worst case" including a safety reserve must always be observed for the fade-out time.
  • voltage U D ' s ' at MOSFET is available as a signal for short-circuit detection from time ti. This is particularly advantageous in the event that the cascode circuit 2 switches on a short-circuited load.
  • FIG 5 shows a further advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
  • This embodiment differs from the embodiment according to FIG only in that instead of a JFET as a high-blocking semiconductor switch 6 em voltage-controlled semiconductor switch 14 is provided.
  • the gate connection G of this voltage-controlled semiconductor switch 14 is connected to the source connection S ′ of the low-blocking semiconductor switch 4 of the cascode circuit 2 by means of a gate resistor R and a constant voltage source 16 connected.
  • a DC voltage source for example a battery of approximately 15 V, is used as the constant voltage source.
  • the voltage-controlled semiconductor switch 14 can be, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), an MOSFET, an MOS-controlled thyristor (MCT),... Only an IGBT as a high-blocking semi-power switch 6 of the cascode circuit 2 is shown. By using a voltage-controlled semiconductor switch 14 as a high-blocking semiconductor switch 6 of the cascode circuit 2, nothing has changed in the functioning of this circuit arrangement.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • MCT MOS-controlled thyristor

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  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

The invention relates to a circuit comprising a disconnectable power semiconductor switch, a drive circuit (10) and a desaturation measuring circuit (8). According to the invention, a cascode circuit (2) comprised of a series-connection of a low-blocking and high-blocking semiconductor switch (4, 6) is provided as a disconnectable power semiconductor switch. The desaturation measuring circuit (8) is connected to a drain terminal (D') of the low-blocking semiconductor switch (4) via a decoupling diode (12), and the drive circuit (10) is connected on the output side to the gate terminal (G') of the low-blocking semiconductor switch (4). This enables a short-circuit to be identified even when the cascode circuit (2) is switched to an existing short-circuit.

Description

Beschreibungdescription
Schaltungsanordnung mit einem abschaltbaren Leistungs-Halb- leiterschalterCircuit arrangement with a switchable power semiconductor switch
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement with a power semiconductor switch that can be switched off in accordance with the preamble of claim 1.
An elektronischen Schaltungen wird m vielen Anwendungsfallen die Forderung gestellt, Überströme und Kurzschlüsse zu erkennen und zu beherrschen. Werden m Stromrichterschaltungen nichtemrastende, abschaltbare Halbleiterschalter, wie z.B. Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) bzw. Metalloxid- schicht-Feldeffekttransistoren (MOSFET) eingesetzt, so können die zur vorgenannten Forderungen ohne zusätzliche passive Bauelemente im Leistungskreis allein durch eine Ansteuerung der Halbleiterschalter erfüllt werden.In many applications, electronic circuits are required to recognize and manage overcurrents and short circuits. If non-latching, switchable semiconductor switches, e.g. Insulated gate bipolar transistors (IGBT) or metal oxide layer field-effect transistors (MOSFET) are used, so that the aforementioned requirements can be met without additional passive components in the power circuit by controlling the semiconductor switch alone.
Die derzeit gangigste Losung für das geschilderte Problem besteht in der Verwendung einer Sattigungsuberwachung. Bei diesem Prinzip wird die Tatsache ausgenutzt, daß nichtemrastende, abschaltbare Leistungs-Halbleiterschalter Ausgangskennli- nien aufweisen, die schematisch in der FIG 1 dargestellt sind.The currently most common solution to the problem described is the use of saturation monitoring. This principle takes advantage of the fact that non-locking, switchable power semiconductor switches have output characteristics which are shown schematically in FIG.
Wahrend dem Leitzustand des Halbleiterschalters wird die Ausgangsspannung dieses Halbleiterschalters überwacht. Anhand der bekannten Ausgangskennlinie ist die Hohe der Ausgangs- Spannung ein Maß für den Strom, den der Halbleiterschalter fuhrt. Fuhrt der Halbleiterschalter einen Überstrom, so steigt seine Ausgangsspannung an, wobei dieser Anstieg bei sehr großen Strömen (Kurzschlußfall) uberproportional stark wird. Der Anstieg der Ausgangsspannung des Halbleiterschal- ters wird als Signal für einen Überstrom bzw. Kurzschlußstrom genutzt . Eine derartige Schaltung mit Sattigungsuberwachung für einen Schalttransistor ist aus der EP 0 361 212 Bl bekannt. Diese Schaltungsanordnung weist eine Entsättigungs-Meßschaltung auf, die emgangsseitig mittels einer Entkopplungsdiode mit einem Kollektoranschluß des Schalttransistors verknüpft ist. Ausgangsseitig ist diese Entsättigungs-Meßschaltung mit einer Abschaltvorrichtung verbunden, die m der Gate-Zuleitung angeordnet ist. Außerdem weist diese Schaltungsanordnung eine Schutzschaltung auf, die emgangsseitig ein Zeitglied und elektrisch parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einem Ausschalter aufweist. Am Eingang des Zeitgliedes steht das Ansteuersignal des Schalttransistors an, wobei an seinem Ausgang ein Steuersignal ansteht. Dieses Steuersignal, das das zeitverzogerte Ansteuersignal ist, öffnet den Ausschalter und aktiviert gleichzeitig die Entsättigungs-Meßschaltung. Sobald das Ansteuersignal zurückgenommen wird, geht der Ausschalter sofort m seine Ruhelage (geschlossen) zurück. Diese Schutzschaltung begrenzt einerseits den Kollektorstrom des Schalt- transistors, wenn dieser auf einen vorhandenen Kurzschluß geschaltet worden ist, und aktiviert andererseits erst die Entsättigungs-Meßschaltung, wenn der Schalttransistor im Nennbetrieb ist.The output voltage of this semiconductor switch is monitored during the conducting state of the semiconductor switch. Based on the known output characteristic, the level of the output voltage is a measure of the current which the semiconductor switch carries. If the semiconductor switch carries an overcurrent, its output voltage rises, whereby this rise becomes disproportionately strong with very large currents (short-circuit case). The rise in the output voltage of the semiconductor switch is used as a signal for an overcurrent or short-circuit current. Such a circuit with saturation monitoring for a switching transistor is known from EP 0 361 212 Bl. This circuit arrangement has a desaturation measuring circuit, which is linked on the input side by means of a decoupling diode to a collector terminal of the switching transistor. On the output side, this desaturation measuring circuit is connected to a switch-off device which is arranged in the gate supply line. In addition, this circuit arrangement has a protective circuit which has a timing element on the input side and a series circuit comprising a zener diode and an off switch electrically in parallel with the base-emitter path of the switching transistor. The control signal of the switching transistor is present at the input of the timing element, a control signal being present at its output. This control signal, which is the time-delayed control signal, opens the switch and simultaneously activates the desaturation measuring circuit. As soon as the control signal is withdrawn, the switch immediately returns to its rest position (closed). On the one hand, this protective circuit limits the collector current of the switching transistor when it has been connected to an existing short circuit, and on the other hand it only activates the desaturation measuring circuit when the switching transistor is in nominal operation.
Diese Schaltungsanordnung weist mehrere Nachteile auf:This circuit arrangement has several disadvantages:
a) Die Meßschaltung zur Erkennung der Entsattigung des Lei- stungs-Halbleiterschalters muß im ausgeschalteten Zustand des Halbleiterschalters durch ein hochsperrendes Bauele- ment, das im Allgemeinen eine Diode ist, abgekoppelt werden, wobei die Diode die Spannungsfestigkeit des Lei- stungs-Halbleiterschalters aufweisen muß. b) Beim Einschaltvorgang des Leistungs-Halbleiterschalters muß die Entsättigungs-Meßschaltung deaktiviert sein, bis die Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungs-Halbleiterschalters auf seinen stationären Endwert (Sattigungsspan- nung) abgesunken ist. Schaltet der Leistungs-Halbleiter- Schalter auf einen vorhandenen Kurzschluß oder tritt ein Kurzschluß unmittelbar nach dem Einschalten auf, wird dieser Kurzschluß nicht erkannt, sondern der Kollektorstrom des Schalttransistors wird begrenzt, c) Das Design des Leistungs-Halbleiterschalters muß darauf ausgelegt sein, bei möglichst niedrigen Stromwerten zu entsattigen. Dies schrankt die Optimierung des Leistungs- Halbleiterschalters beispielsweise auf verbessertes Durchlaßverhalten ein.a) The measuring circuit for detecting the desaturation of the power semiconductor switch must be decoupled in the switched-off state of the semiconductor switch by a high-blocking component, which is generally a diode, the diode having to have the dielectric strength of the power semiconductor switch . b) When the power semiconductor switch is switched on, the desaturation measuring circuit must be deactivated until the collector-emitter voltage of the power semiconductor switch has dropped to its stationary end value (saturation voltage). Switches the power semiconductor Switch to an existing short circuit or if a short circuit occurs immediately after switching on, this short circuit is not recognized, but the collector current of the switching transistor is limited, c) The design of the power semiconductor switch must be designed to saturate at the lowest possible current values. This limits the optimization of the power semiconductor switch, for example, to improved transmission behavior.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die die beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist.The invention is based on the object of specifying a circuit arrangement which no longer has the disadvantages described.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelost.This object is achieved according to the invention by the characterizing features of claim 1.
Dadurch, daß als abschaltbarer Leistungs-Halbleiterschalter eine Kaskodenschaltung, bestehend aus einer Reihenschaltung eines nieder- und hochsperrenden Halbleiterschalters, verwendet wird, wird die Ausgangsspannung des niedersperrenden Halbleiterschalters für die Entsattigung-Meßschaltung verwendet. Dadurch muß der hochsperrende Halbleiterschalter nicht auf einen niedrigen Entsattigungsstrom optimiert werden. Da nun die Ausgangsspannung des niedersperrenden Halbleiterschalters für die Erkennung der Entsattigung verwendet wird, sinkt die Spannungsfestigkeit der Entkopplungsdiode auf das Niveau des niedersperrenden Halbleiterschalters der Kaskodenschaltung. Außerdem besteht nun die Möglichkeit, die beiden Halbleiterschalter der Kaskodenschaltung getrennt zu optimieren. Der niedersperrende Halbleiterschalter wird auf niedrige Durchlaßspannung und niedrigen Entsattigungsstrom optimiert, wogegen der hochsperrende Halbleiterschalter der Kaskodenschaltung hinsichtlich eines verbesserten Durchlaßverhaltens optimiert wird. Bei einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Schaltungsanordnung wird als Kaskodenschaltung ein Hybπd-Leistungs-MOSFET verwendet, der als niedersperrenden Halbleiterschalter einen MOSFET, insbesondere einen selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET, und als hochsperrenden Halbleiterschalter einen Sperrschicht- FET, insbesondere einen selbstleitenden n-Kanal-Sperrschicht- FET, aufweist, wobei der Gate-Anschluß des Sperrschicht-FET mittels eines Widerstandes mit dem Source-Anschluß des MOSFET verknüpft ist. Der Sperrschicht-FET wird auch als Junction- Field-Effekt-Transistor (JFET) bezeichnet. Durch diese besondere Ausgestaltung der Kaskodenschaltung wird erreicht, daß die maximale Sperrspannung des MOSFET 30 V betragt. Deshalb ist keine Hochspannungsabkopplung der Entsättigungs-Meßschaltung erforderlich. Außerdem fallt aufgrund eines Em- schalt-Signals die Ausgangsspannung des MOSFET derart schnell ab, daß der Laststrom diesem sehr kurzen Zeitmtervall nur geringfügig ansteigen kann. Dadurch steht nach kurzer Zeit die Sattigungsspannung des MOSFET als Signal für eine Kurzschlußerkennung zur Verfugung. Es besteht somit die Moglich- keit, daß ein Kurzschluß erkannt wird, wenn die Kaskodenschaltung auf einen vorhandenen Kurzschluß schaltet. Außerdem wird keine Ausblendschaltung für die Entsättigungs-Meßschaltung benotigt.Characterized in that a cascode circuit consisting of a series circuit of a low and high blocking semiconductor switch, is used as a power semiconductor switch that can be switched off, the output voltage of the low blocking semiconductor switch is used for the desaturation measuring circuit. As a result, the high-blocking semiconductor switch does not have to be optimized for a low desaturation current. Since the output voltage of the low-blocking semiconductor switch is now used for the detection of desaturation, the dielectric strength of the decoupling diode drops to the level of the low-blocking semiconductor switch of the cascode circuit. It is now also possible to optimize the two semiconductor switches of the cascode circuit separately. The low-blocking semiconductor switch is optimized for low forward voltage and low desaturation current, whereas the high-blocking semiconductor switch of the cascode circuit is optimized with regard to improved forward behavior. In an advantageous embodiment of the circuit arrangement, a hybrid power MOSFET is used as the cascode circuit, which as the low-blocking semiconductor switch is a MOSFET, in particular a self-blocking n-channel MOSFET, and the high-blocking semiconductor switch is a barrier layer FET, in particular a self-conducting n-channel blocking layer - FET, wherein the gate connection of the junction FET is connected to the source connection of the MOSFET by means of a resistor. The junction FET is also referred to as a junction field effect transistor (JFET). This special configuration of the cascode circuit ensures that the maximum reverse voltage of the MOSFET is 30 V. Therefore a high voltage decoupling of the desaturation measuring circuit is not necessary. In addition, the output voltage of the MOSFET drops so quickly due to an Em-switching signal that the load current can only increase slightly during this very short time interval. As a result, the saturation voltage of the MOSFET is available as a signal for short-circuit detection after a short time. It is therefore possible for a short circuit to be detected when the cascode circuit switches to an existing short circuit. In addition, no blanking circuit is required for the desaturation measuring circuit.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform der Schal- tungsanordnung wird als Kaskodenschaltung eine Reihenschaltung eines MOSFET mit einem spannungsgesteuerten Halbleiterschalter verwendet, wobei der Gate-Anschluß des Spannungsgesteuerten Halbleiterschalters mittels einer Konstantspan- nungsquelle mit dem Source-Anschluß des MOSFET verknüpft ist. Diese Ausfuhrungsform weist ebenfalls die zuvor genannten Vorteile auf, unabhängig von der Ausfuhrungsform des span- nungsgesteuerten Halbleiterschalters .In a further advantageous embodiment of the circuit arrangement, a cascade connection of a MOSFET with a voltage-controlled semiconductor switch is used as the cascode circuit, the gate connection of the voltage-controlled semiconductor switch being linked to the source connection of the MOSFET by means of a constant voltage source. This embodiment also has the advantages mentioned above, regardless of the embodiment of the voltage-controlled semiconductor switch.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausfuhrungsformen der erf - dungsgemaße Schaltungsanordnung schematisch veranschaulicht sind.For a more detailed explanation of the invention, reference is made to the drawing, in which several embodiments of the required Circuit arrangement according to the invention are schematically illustrated.
FIG 1 zeigt Ausgangskennl ien eines nichtemrastenden, ab- schaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters, die1 shows output characteristics of a non-latching, switchable power semiconductor switch
FIG 2 zeigt eine vorteilhafte Ausfuhrungs form einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung, m der FIG 3 sind Durchlaßkennlmien des nieder- und hochsperrenden Halbleiterschalters der Kaskodenschaltung nach FIG 2 dargestellt, die2 shows an advantageous embodiment of a circuit arrangement according to the invention. In FIG. 3, pass characteristics of the low and high blocking semiconductor switch of the cascode circuit according to FIG. 2 are shown
FIG 4 zeigt einem Diagramm über der Zeit t Verlaufe des Laststromes und der Ausgangsspannungen der beiden Halbleiterschalter der Kaskodenschaltung nach FIG 2FIG. 4 shows a diagram over time t of the load current and the output voltages of the two semiconductor switches of the cascode circuit according to FIG. 2
FIG 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Aus fuhrungs form der erfmdungsgemäßen Schaltungsanordnung .5 shows a further advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
In der FIG 2 ist eine vorteilhafte Aus fuhrungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt. Diese Schaltungsanordnung weist als abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalter eine Kaskodenschaltung 2, bestehend aus einer Reihenschaltung eines nieder- und hochsperrenden Halbleiterschalters 4 und 6, auf. Außerdem weist diese Schaltungsanordnung auch noch eine Entsättigungs-Meßschaltung 8 und eine An- Steuereinrichtung 10 auf. Die Entsättigungs-Meßschaltung 8 ist emgangsseitig mittels einer Entkopplungsdiode 12 mit einem Drain-Anschluß D' des niedersperrenden Halbleiterschalters 4 der Kaskodenschaltung 2 und ausgangsseitig mit einem Eingang der Ansteuerschaltung 10 verknüpft. Diese Ansteuer- Schaltung 10 ist ausgangsseitig mit dem Gate- und Source- Anschluß G' und S' des niedersperrenden Halbleiterschalters 4 der Kaskodenschaltung 2 verknüpft. Ein Steuersignal USr aus einer nicht naher dargestellten Steuerschaltung steht am Steuereingang der Ansteuerschaltung 10 an. Um den Strom durch die Entkopplungsdiode 12 zu begrenzen, ist die Anode dieser Entkopplungsdiode 12 mittels eines Widerstandes RGD mit einer positiven Versorgungsspannung +UV einer Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung 12 verbunden. Sobald die Ausgangsspannung UD'S' des niedersperrenden Halbleiterschalters 4 der Kaskodenschaltung 2 entsattigt, sperrt die Entkopplungsdiode 12 und es fließt ein Strom aus der nicht naher dargestellten Spannungsversorgung die Entsättigungs-Meßschaltung 8, die daraufhin ein Fehlersignal SFs generiert. Dieses Fehlersignal S S bewirkt der Ansteuerschaltung 10 eine Unterdrückung des anstehenden Steuersignals USt> wodurch der niedersperrende Halbleiterschalter 4 und hochsperrende Halbleiterschalter 6 der Kaskodenschaltung 2 ausgeschaltet werden.2 shows an advantageous embodiment of a circuit arrangement according to the invention. This circuit arrangement has a cascode circuit 2, consisting of a series connection of a low and high blocking semiconductor switches 4 and 6, as a power semiconductor switch that can be switched off. In addition, this circuit arrangement also has a desaturation measuring circuit 8 and a control device 10. The desaturation measuring circuit 8 is linked on the input side by means of a decoupling diode 12 to a drain terminal D 'of the low-blocking semiconductor switch 4 of the cascode circuit 2 and on the output side to an input of the control circuit 10. On the output side, this drive circuit 10 is linked to the gate and source terminals G 'and S' of the low-blocking semiconductor switch 4 of the cascode circuit 2. A control signal U S r from a control circuit, not shown in more detail, is present at the control input of the control circuit 10. In order to limit the current through the decoupling diode 12, the anode of this decoupling diode 12 is a voltage supply by means of a resistor R GD with a positive supply voltage + U V the control circuit 12 connected. As soon as the output voltage U D'S 'of the low-blocking semiconductor switch 4 of the cascode circuit 2 is saturated, the decoupling diode 12 blocks and a current flows from the voltage supply (not shown in more detail) to the desaturation measuring circuit 8, which then generates an error signal S F s. This error signal S S causes the control circuit 10 to suppress the control signal U S t > which causes the low-blocking semiconductor switch 4 and the high-blocking semiconductor switch 6 of the cascode circuit 2 to be switched off.
Bei dieser vorteilhaften Aus fuhrungsform der erfmdungsgemäßen Schaltungsanordnung ist als Kaskodenschaltung 2 ein Hy- bπd-Leistungs-MOSFET vorgesehen. Dieser Hybπd-Leistungs- MOSFET weist als niedersperrenden Halbleiterschalter 4 einen selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET, insbesondere einen Nieder- volt-Leistungs-MOSFET, und als hochsperrenden Halbleiterschalter 6 einen selbstleitenden Sperrschicht-FET auf. Dieser hochsperrende Sperrschicht-FET wird auch als Junction-Field- Effekt-Transistor (JFET) bezeichnet. Diese beiden FETs sind derart elektrisch m Reihe geschaltet, daß der Source- Anschluß S des Sperrschicht-FET mit dem Dram-Anschluß D' des MOSFET direkt und daß der Gate-Anschluß G des Sperrschicht- FET mittels eines Widerstandes RGj mit dem Source-Anschluß S' des MOSFET elektrisch leitend verbunden sind. Der niedersperrende MOSFET dieser Kaskodenschaltung 2 weist eine interne bipolare Diode Dτ.N auf, die antiparallel zum MOSFET geschaltet ist und allgemein als Inversdiode bzw. interne Freilauf- diode bezeichnet wird.In this advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention, a hybrid power MOSFET is provided as the cascode circuit 2. This hybrid power MOSFET has a self-locking n-channel MOSFET, in particular a low-voltage power MOSFET, as a low-blocking semiconductor switch 4, and a self-conducting junction FET as a high-blocking semiconductor switch 6. This high blocking junction FET is also referred to as a junction field effect transistor (JFET). These two FETs are electrically connected in series such that the source terminal S of the junction FET is connected directly to the dram terminal D 'of the MOSFET and that the gate terminal G of the junction FET is connected to the source by means of a resistor R G j -Connection S 'of the MOSFET are electrically connected. The low-blocking MOSFET of this cascode circuit 2 has an internal bipolar diode Dτ .N , which is connected antiparallel to the MOSFET and is generally referred to as an inverse diode or internal freewheeling diode.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform dieser Kaskodenschaltung ist der selbstsperrende n-Kanal-MOSFET aus Silizium, wogegen der selbstsperrende n-Kanal-JFET aus Siliziumkarbid besteht. Dieser Hybπd-Leistungs-MOSFET ist f r eine hohe Sperrspannung von über 600 V ausgelegt und weist dennoch nur geringe Verluste im Durchlaßbereich auf. Gesteuert wird diese Kaskodenschaltung 2 mittels der Gatespannung UQ'S' des selbstsperrenden MOSFET. Ist dieser MOSFET eingeschaltet oder die antiparallele interne Diode DιN des MOSFET fuhrt einen Strom, so ist die Dram-Spannung UD'S. des MOSFET naherungsweise Null. Durch die Kopplung des Gate- Anschlusses des JFET mit dem Source-Anschluß S' des MOSFET ist die Gate-Spannung UGs' des JFET Null bis e n wenig negativ oder positiv. Somit fließt durch den JFET annähernd der größte Drainstrom ID. Wird der MOSFET abgeschaltet, so steigt die Dram-Spannung UD's- an, bis die maximal zulassige Sperrspannung des MOSFET erreicht ist. Der Wert der Sperrspannung ist bei einem Niedervolt-Leistungs-MOSFET beispielsweise 30 V. Sobald der Wert der Dram-Spannung UD.S' des MOSFET den Wert einer Dram-Spannung bersteigt, ist der Drain-Strom ID des JFET Null. Das heißt, der JFET ist abgeschaltet. Durch die Verkopplung des Gate-Anschlusses G des JFET mit dem Source- Anschluß S' des MOSFET wird die Dram-Spannung UD.S. des MOSFET auf das Gate G des JFET gegengekoppelt.In a particularly advantageous embodiment of this cascode circuit, the normally-off n-channel MOSFET is made of silicon, whereas the normally-off n-channel JFET is made of silicon carbide. This hybrid power MOSFET is designed for a high reverse voltage of over 600 V and yet has only low losses in the pass band. This cascode circuit 2 is controlled by means of the gate voltage UQ 'S' of the normally-off MOSFET. If this MOSFET is switched on or the anti-parallel internal diode D N of the MOSFET carries a current, then the dram voltage is U D'S . of the MOSFET approximately zero. By coupling the gate connection of the JFET to the source connection S 'of the MOSFET, the gate voltage U G s ' of the JFET is zero to little or negative. Thus, the largest drain current I D flows through the JFET. If the MOSFET is switched off, the dram voltage U D ' s- increases until the maximum permissible reverse voltage of the MOSFET is reached. The value of the reverse voltage in a low-voltage power MOSFET is, for example, 30 V. As soon as the value of the dram voltage U D. S 'of the MOSFET exceeds the value of a dram voltage, the drain current I D of the JFET is zero. That is, the JFET is turned off. By coupling the gate connection G of the JFET to the source connection S 'of the MOSFET, the dram voltage U D. S. of the MOSFET to the gate G of the JFET.
In der FIG 3 sind Durchlaßkennl ien des MOSFET und des JFET der Kaskodenschaltung 2 dargestellt. Aus diesen Kennlinien kann man entnehmen, daß lediglich die Ausgangskennlmie UD's' des niedersperrenden MOSFET das Signal für eine Kurzschluß- uberwachung bilden kann, wenn die Spannungsfestigkeit der Entkopplungsdiode 12 niedrig sein soll. Der hochsperrende JFET muß demnach nicht auf einen niedrigen Sattigungsstrom optimiert werden, was Freiheiten bezüglich anderer Optimierungskriterien, beispielsweise verbessertes Durchlaßverhalten, laßt. Bei dem niedersperrenden MOSFET ist ein besserer Kompromiß zwischen niedriger Durchlaßspannung und niedrigem3 shows pass characteristics of the MOSFET and the JFET of the cascode circuit 2. It can be seen from these characteristics that only the output characteristic U D ' s ' of the low-blocking MOSFET can form the signal for short-circuit monitoring if the dielectric strength of the decoupling diode 12 is to be low. The high blocking JFET therefore does not have to be optimized for a low saturation current, which leaves freedom with regard to other optimization criteria, for example improved forward behavior. The low blocking MOSFET is a better compromise between low forward voltage and low
Entsattigungsstrom erreichbar, da m diesem Fall der Kanalwiderstand einen größeren Teil des Gesamtwiderstands bestimmt und der MOSFET nur einen geringen Teil zum gesamten Durchlaßspannungsabfalls beitragt. Dies ermöglicht die Kurzschlußfe- stigkeit von hochsperrenden Bauelementen, die die Eigenschaft besitzen, erst bei Strömen, die sehr viel großer als ihr Nennstrom sind, zu entsattigen, um akzeptable Durchlaßspannungen zu erreichen.Desaturation current achievable, since in this case the channel resistance determines a larger part of the total resistance and the MOSFET contributes only a small part to the total forward voltage drop. This allows the short-circuit strength of high-blocking components that have the property only at currents that are much larger than yours Nominal current must be desaturated in order to achieve acceptable forward voltages.
In der FIG 4 ist ein Einschaltvorgang der Kathodenschaltung 2 nach FIG 2 naher dargestellt. Gemäß dieser Darstellung wird zum Zeitpunkt to durch den Pegelwechsel des Ansteuersignais USf von "low" nach "high" das Gate des niedersperrenden MOSFET geladen. Dadurch fallt die Drainspannung UD'S' des niedersperrenden MOSFET sehr schnell ab. Bereit zum Zeitpunkt ti befindet sich der MOSFET der Kaskodenschaltung 2 bereits im gesattigten Zustand. Diese sehr schnell abfallende Dram- Spannung UD's' des MOSFET wird als Steuerspannung auf das Gate des JFET gegengekoppelt. Der Zeitbereich tι~t0 ist so kurz, daß ein Laststrom ID in diesem Bereich nur geringfügig an- steigen kann. Abhangig von der Gate-Zeitkonstante des JFET, die aus einer Gate-Source-Kapazitat und dem Widerstand RGJ auch als Gate-Widerstand bezeichnet, gebildet wird, steigt der Laststrom ID bis auf seinen stationären Endwert an. Anschließend fallt die Dra -Source-Spannung UDS' am JFET bis zum Zeitpunkt t3 auf ihren Sattigungswert ab.FIG. 4 shows a switch-on process of the cathode circuit 2 according to FIG. 2 in more detail. According to this representation, the gate of the low-blocking MOSFET is charged at the time to by the level change of the control signal U S f from "low" to "high". As a result, the drain voltage U D ' S ' of the low-blocking MOSFET drops very quickly. The MOSFET of the cascode circuit 2 is already in the saturated state at time ti. This very rapidly falling dram voltage U D ' s ' of the MOSFET is fed back as a control voltage to the gate of the JFET. The time range tι ~ t 0 is so short that a load current I D can only increase slightly in this range. Depending on the gate time constant of the JFET, which is formed from a gate-source capacitance and the resistor R G J, also referred to as the gate resistor, the load current I D increases to its stationary end value. The Dra source voltage U DS ' at the JFET then drops to its saturation value until time t 3 .
Bei der Verwendung üblicher Leistungshalbleiter, wie z.B. IGBT, Leistungs-MOSFET, Bipolar-Transistor, muß die Entsättigungs-Meßschaltung 8 bis zum Zeitpunkt t3 ausgeblendet wer- den. Da die Lange des Zeitbereichs t3-t0 zudem sowohl mit dem Laststrom ID als auch mit der Kommutierungsspannung stark zunimmt, muß für die Ausblendzeit immer der "worst case" inklusive einer Sicherheitsreserve eingehalten werden. In der Kaskodenschaltung 2 steht die Spannung UD's' an MOSFET ab dem Zeitpunkt ti als Signal für eine Kurzschlußerkennung zur Verfugung. Dies ist besonders vorteilhaft für den Fall, daß die Kaskodenschaltung 2 auf eine kurzschlußgeschlossene Last einschaltet .When using conventional power semiconductors, such as, for example, IGBT, power MOSFET, bipolar transistor, the desaturation measuring circuit 8 must be masked out until time t 3 . Since the length of the time range t 3 -t 0 also increases sharply both with the load current I D and with the commutation voltage, the "worst case" including a safety reserve must always be observed for the fade-out time. In cascode circuit 2, voltage U D ' s ' at MOSFET is available as a signal for short-circuit detection from time ti. This is particularly advantageous in the event that the cascode circuit 2 switches on a short-circuited load.
Die FIG 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsform der erfmdungsgemaßen Schaltungsanordnung. Gegenüber der Ausfuh- rungsform nach FIG 2 unterscheidet sich diese Ausfunrungsform nur dadurch, daß anstelle eines JFET als hochsperrender Halbleiterschalter 6 em spannungsgesteuerter Halbleiterschalter 14 vorgesehen ist. Bei der Verwendung eines spannungsgesteuerten Halbleiterschalters 14 als hochsperrender Halbleiter- Schalter 6 der Kaskodenschaltung 2 ist em Gate-Anschluß G dieses spannungsgesteuerten Halbleiterschalters 14 mittels eines Gate-Widerstandes R und einer Konstantspannungsquelle 16 mit dem Source-Anschluß S' des niedersperrenden Halbleiterschalters 4 der Kaskodenschaltung 2 verbunden. Als Kon- stantspannungsquelle wird eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie von etwa 15 V, verwendet. Als span- nungsgesteuerter Halbleiterschalter 14 kann beispielsweise em Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), em MOSFET, em MOS-gesteuerter Thyristor (MCT) , ... verwendet werden, wobei hier nur em IGBT als hochsperrender Halbleistungsschalter 6 der Kaskodenschaltung 2 dargestellt ist. Durch die Verwendung eines spannungsgesteuerten Halbleiterschalters 14 als hochsperrenden Halbleiterschalter 6 der Kaskodenschaltung 2 hat sich an der Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung nichts geändert. 5 shows a further advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention. This embodiment differs from the embodiment according to FIG only in that instead of a JFET as a high-blocking semiconductor switch 6 em voltage-controlled semiconductor switch 14 is provided. When using a voltage-controlled semiconductor switch 14 as a high-blocking semiconductor switch 6 of the cascode circuit 2, the gate connection G of this voltage-controlled semiconductor switch 14 is connected to the source connection S ′ of the low-blocking semiconductor switch 4 of the cascode circuit 2 by means of a gate resistor R and a constant voltage source 16 connected. A DC voltage source, for example a battery of approximately 15 V, is used as the constant voltage source. The voltage-controlled semiconductor switch 14 can be, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), an MOSFET, an MOS-controlled thyristor (MCT),... Only an IGBT as a high-blocking semi-power switch 6 of the cascode circuit 2 is shown. By using a voltage-controlled semiconductor switch 14 as a high-blocking semiconductor switch 6 of the cascode circuit 2, nothing has changed in the functioning of this circuit arrangement.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schaltungsanordnung mit einem abschaltbarem Leistungs- Halbleiterschalter, einer Ansteuerschaltung (10) und einer Entsättigungs-Meßschaltung (8), wobei die Ansteuerschaltung (10) ausgangsseitig mit einem Gate-Anschluß (G') des abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters verknüpft ist, wobei die Entsättigungs-Meßschaltung (8) mittels einer Entkopp- lungsdiode (12) mit einem Drain-Anschluß des Leistungs-Halb- leiterschalters und ausgangsseitig mit einem Eingang der Ansteuerschaltung (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter eine Kaskodenschaltung (2), bestehend aus einer Reihenschaltung eines nieder- und hochsperrenden Halbleiterschalters (4,6), daß die Entsättigungs-Meßschaltung (8) mittels der Diode (12) mit dem Dram-Anschluß (D') des niedersperrenden Halbleiterschalters (4) der Kaskodenschaltung (2) verbunden ist, und daß die Ansteuerschaltung (10) ausgangsseitig mit dem Gate-Anschluß (G') des niedersperrenden Halbleiterschalters (4) der Kaskodenschaltung (2) verknüpft ist.1. Circuit arrangement with a power semiconductor switch that can be switched off, a control circuit (10) and a desaturation measuring circuit (8), the control circuit (10) being linked on the output side to a gate terminal (G ') of the power semiconductor switch that can be switched off, the Desaturation measuring circuit (8) is connected by means of a decoupling diode (12) to a drain terminal of the power semiconductor switch and on the output side to an input of the control circuit (10), characterized in that a cascode circuit (2) is used as the power semiconductor switch that can be switched off. , consisting of a series connection of a low and high blocking semiconductor switch (4,6) that the desaturation measuring circuit (8) by means of the diode (12) with the dram connection (D ') of the low blocking semiconductor switch (4) of the cascode circuit (2nd ) is connected, and that the drive circuit (10) on the output side to the gate terminal (G ') of the low-blocking half it switch (4) of the cascode circuit (2) is linked.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der niedersperrende Halbleiterschalter (4) em MOSFET und der hochsperrende Halbleiterschalter (6) em JFET ist, wobei der Gate-Anschluß (G) des JFET mittels eines Widerstandes (RG ) mit dem Source-Anschluß (S') des MOSFET verknüpft ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the low-blocking semiconductor switch (4) em MOSFET and the high-blocking semiconductor switch (6) em JFET, wherein the gate terminal (G) of the JFET by means of a resistor (R G ) with the source -Connection (S ') of the MOSFET is linked.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der niedersperrende Halbleiterschalter (4) em MOSFET und der hochsperrende Halbleiterschalter (6) em spannungsgesteu- erter Halbleiterschalter (14) ist, wobei der Gate-Anschluß (G) des spannungsgesteuerten Halbleiterschalters (14) mittels einer Konstantspannungsquelle (16) mit dem Source-Anschluß (S') des MOSFET verknüpft ist. 3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the low-blocking semiconductor switch (4) em MOSFET and the high-blocking semiconductor switch (6) em voltage-controlled semiconductor switch (14), wherein the gate terminal (G) of the voltage-controlled semiconductor switch (14) is linked to the source terminal (S ') of the MOSFET by means of a constant voltage source (16).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Halbleiterschalter (14) em Insu- 1ated-Gate-Bipolar-Translstör ist .4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the voltage-controlled semiconductor switch (14) em Insu- 1ated-Gate-Bipolar-Translstör.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Halbleiterschalter (14) ein MOS- gesteuerter Thyristor ist.5. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the voltage-controlled semiconductor switch (14) is a MOS-controlled thyristor.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der niedersperrende Halbleiterschalter (4) aus Silizium und der hochsperrende Halbleiterschalter (6) aus Siliziumkar- bid besteht. 6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the low-blocking semiconductor switch (4) made of silicon and the high-blocking semiconductor switch (6) consists of silicon carbide.
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