WO2004049566A2 - Device for electronically actuating a load element, assembly of said device and use of the device or assembly - Google Patents

Device for electronically actuating a load element, assembly of said device and use of the device or assembly Download PDF

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WO2004049566A2
WO2004049566A2 PCT/DE2003/003613 DE0303613W WO2004049566A2 WO 2004049566 A2 WO2004049566 A2 WO 2004049566A2 DE 0303613 W DE0303613 W DE 0303613W WO 2004049566 A2 WO2004049566 A2 WO 2004049566A2
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Definitions

  • FIG. 2 an advantageous embodiment variant of an arrangement with two bidirectionally switched devices 1 a and 1 b is shown, which can be used, inter alia, as a single-phase AC switch.
  • an additional device 1b of identical construction and electrically anti-serial connected on the load current side is connected in series with the device 1 a. given the load element 2.
  • the device 1b in accordance with the exemplary embodiment according to FIG. 1, is likewise provided on both semiconductor switching elements 3b or 4b with a connection G and with a diode D1, an inverse diode D2, a SiC J-FET 6b, a Si-MOS-FET 7b and a Si-IGBT equipped in the same way.
  • the current-voltage output characteristic curve K 1 of the first semiconductor switching element 3 a is linear and the current-voltage output characteristic curve K 2 of the second semiconductor switching element 4 a is parabolic, as a result of which the device 1 a is superimposed on the respective characteristic curve profile of the corresponding one Semiconductor switching element 3a and 4a benefits.
  • the parabola-like current-voltage output characteristic curve K2 of the second semiconductor switching element 4a requires a lower voltage than the current-voltage output characteristic curve K1 of the first semiconductor switching element 3a at a higher current. Due to the voltage drop at the second semiconductor switching element 3a; 3b results in a low ratio of the power losses based on the starting and nominal current.

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Abstract

The invention relates to a device (1a) for electronically actuating a load element, an assembly of said device and the use of the device or assembly. The aim of the invention is to provide a device that is characterised by a low heat build-up, both during the initial operation and the nominal value operation of a load element (2) to be actuated. To achieve this, in addition to a first semiconductor switch element (3a) with a determinable power loss, the device is equipped with a second semiconductor switch element (4a) that is electrically connected on the load current side, in parallel to the first switch element, said second element having a determinable power loss that is different from that of the first semiconductor switch element (3a). During the initial operation of the load element (2), the power loss of the second semiconductor switch element (4a) falls short of that of the first semiconductor switch element and/or during the nominal value operation of the load element (2) the power loss of the first semiconductor switch element (3a) falls short of that of the second semiconductor switch element.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung zum elektronischen Schalten eines Lastelements, Anordnung der Vorrichtung und Verwendung der Vorrichtung bzw. AnordnungDevice for electronically switching a load element, arrangement of the device and use of the device or arrangement
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektronischen Schalten eines von einer Stromquelle gespeisten Lastelements gemäß Patentanspruch 1, auf eine Anordnung der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10,11 sowie auf eine Verwendung der Vorrichtung bzw. der Anordnung gemäß Patentanspruch 15, 16.The invention relates to a device for electronically switching a load element fed by a power source according to claim 1, to an arrangement of the device according to claim 10, 11 and to a use of the device or the arrangement according to claim 15, 16.
Aus der DE 196 12 216 AI ist ein elektronisches Abzweigschaltgerät für eine Drehstromquelle bekannt, das mit Halbleiter-Schaltelementen hergestellt ist. Das vorgenannte Abzweigschaltgerät weist unter anderem zwei Halbleiterbauelemente auf, die elektrisch in Reihe zu einem Hybrid-Leistungs- MOSFET zusammengeschaltet sind. Ein derartiger Hybrid- Leistungs-MOSFET ist beispielsweise in der DE 199 02 520 AI offenbart. Derartig eingesetzte Halbleiter-Schalt- bzw. - Bauelemente finden unter anderem in der Niederspannungs- sowie ggf. auch in der Mittelspannungs-Schalttechnik Anwendung und dienen zum kontaktlosen Ein- bzw. Ausschalten eines stromquellengespeisten Verbrauchers, beispielsweise eines Motors.From DE 196 12 216 AI an electronic branch switching device for a three-phase source is known, which is made with semiconductor switching elements. The aforementioned branch switching device has, among other things, two semiconductor components which are electrically connected in series to form a hybrid power MOSFET. Such a hybrid power MOSFET is disclosed for example in DE 199 02 520 AI. Semiconductor switching or components used in this way are used, inter alia, in low-voltage and possibly also in medium-voltage switching technology and are used for contactless switching on and off of a power source-powered consumer, for example a motor.
Hierbei fließt beim Zuschalten eines als Lastelement wirkenden Verbrauchers, beispielsweise eines Motors, bis zum Erreichen der motorspezifischen Nenndrehzahl ein Anlaufstrom, der ein Vielfaches des Nennstromes beträgt. Übertragen auf ein Schaltgerät mit Halbleitern zum elektronischen Schalten des Verbrauchers, insbesondere des Motors, entsteht während der Anlaufphase eine starke thermische Belastung in besagten Halbleitern. Folglich bestimmt die aus der Anlaufphase resultierende Belastung die Dimensionierung der Halbleiter. Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Vorrichtung zum elektronischen Schalten, eine Anordnung der Vorrichtung sowie eine Verwendung der Vorrichtung bzw. Anordnung anzugeben, die sich sowohl im Anlaufbetrieb wie auch im Nennbetrieb eines zu schaltenden Lastelements durch eine geringe Wärmeentwicklung auszeichnet.When a consumer acting as a load element, for example a motor, is switched on, a starting current that is a multiple of the nominal current flows until the motor-specific nominal speed is reached. Transferred to a switching device with semiconductors for electronically switching the consumer, in particular the motor, there is a strong thermal load in said semiconductors during the start-up phase. Consequently, the load resulting from the start-up phase determines the dimensioning of the semiconductors. It is the object of the present invention to provide a device for electronic switching, an arrangement of the device and a use of the device or arrangement which are characterized by low heat development both in the start-up mode and in the rated mode of a load element to be switched.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Wärmeentwicklung durch halbleiterbedingte Verlustleistungen - auch Durchlassverluste genannt - bedingt ist.The invention is based on the knowledge that the heat development is caused by power losses due to semiconductors - also called leakage losses.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich der Anordnung der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 11,12 sowie in bezug auf die Verwendung der Anordnung bzw. der Vorrichtung durch die Merkmale der Patentansprüche 16,17 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung, der Anordnung sowie der Verwendung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.This object is achieved with regard to the device according to the invention by the features of patent claim 1, with regard to the arrangement of the device according to the invention by the features of patent claims 11, 12 and in relation to the use of the arrangement or the device by the features of patent claims 16,17; Advantageous embodiments of the device, the arrangement and the use are each the subject of further claims.
Durch die Verschaltung bzw. den Aufbau der Vorrichtung mit zwei zueinander laststromseitig elektrisch parallelgeschalteten und in Abhängigkeit der jeweiligen bauteilspezifischen Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie unterschiedliche Verlustleistungen aufweisenden Halbleiter-Schaltelementen, durch die im stromführenden Zustand eine Unterschreitung der Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements durch das zweite Halbleiter-Schaltelement im Anlaufbetrieb des Lastelements und/oder durch das erste Halbleiter-Schaltelement im Nennbetrieb des Lastelements gegeben ist, wird erreicht, dass der Laststrom während des Anlaufbetriebs im Wesentlichen über das zweite Halbleiter-Schaltelement bzw. über beide Halbleiter-Schaltelemente fließt, wobei sich aus dem Spannungsfall an dem zweiten Halbleiter-Schaltelement auf Grund seiner Kennlinien-Charakteristik gegenüber der Kennlinien-Charakteristik des ersten Halbleiter-Schaltelements ein geringeres Verhältnis der Verlustleistungen bezogen auf den Anlauf- und Nennstrom ergibt.Through the interconnection or the construction of the device with two semiconductor switching elements that are electrically connected in parallel to one another on the load current side and have different power losses depending on the respective component-specific current-voltage output characteristic curve, by means of which, in the current-carrying state, the power loss of the other semiconductor switching element is undercut by the second semiconductor switching element during start-up operation of the load element and / or given by the first semiconductor switching element during nominal operation of the load element, it is achieved that the load current flows during start-up operation essentially over the second semiconductor switching element or over both semiconductor switching elements, wherein the voltage drop across the second semiconductor switching element is based on its characteristic curve versus the characteristic curve characteristic of the first semiconductor switching element results in a lower ratio of the power losses based on the starting and nominal current.
Ferner fließt der Laststrom, je nach Ansteuerung der Vorrichtung, während des Nennbetriebs im Wesentlichen über das erste Halbleiter-Schaltelement, das mit einer im Vergleich zur DurchlassSpannung des zweiten Halbleiter-Schaltelements geringeren Durchlassspannung versehen ist, so dass die Durchlassverluste auch in dieser Betriebsphase gering gehalten werden können, woraus insgesamt eine günstige Verlustleistungsbilanz durch die Synergieausnutzung beider Halbleiter- Schaltelemente resultiert.Furthermore, depending on the control of the device, the load current essentially flows through the first semiconductor switching element during nominal operation, which is provided with a forward voltage that is lower than the forward voltage of the second semiconductor switching element, so that the forwarding losses are also kept low in this operating phase can be, which results overall in a favorable power loss balance through the synergy utilization of both semiconductor switching elements.
Geringe Durchlassverluste bzw. geringe Verlustleistungen bedeuten eine geringe Erwärmung der Vorrichtung zum elektronischen Schalten, so dass einerseits eine Reduzierung des notwendigen Halbleitermaterials (Chipfläche) bzw. eine Verkleinerung notwendiger Kühlkörper und damit auch eine Verringerung des Bauvolumens der Vorrichtung bei gleicher Schaltleistung vorgenommen bzw. andererseits eine Erhöhung der Schaltleistung der Vorrichtung im Sinne einer Wirkungsgradsteigerung bei gleichbleibender Kühlkörpergröße erzielt werden kann.Low conduction losses or low power losses mean that the device for electronic switching heats up slightly, so that on the one hand a reduction in the necessary semiconductor material (chip area) or a reduction in the number of necessary heat sinks and thus also a reduction in the construction volume of the device with the same switching capacity is carried out or on the other hand Increasing the switching capacity of the device in the sense of an increase in efficiency can be achieved with the same heat sink size.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:The invention and advantageous refinements according to the features of the further claims are explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing; show in it:
FIG 1 eine Ausführungsvariante der Vorrichtung zum elektronischen Schalten;1 shows a variant of the device for electronic switching;
FIG 2 eine Ausführungsvariante der Anordnung mit zwei bidirektional geschalteten Vorrichtungen;2 shows an embodiment variant of the arrangement with two bidirectionally switched devices;
FIG 3 eine Ausführungsvariante der Anordnung mit mehreren, phasenparallel und/oder bidirektional geschalteten Vorrichtungen; FIG 4 ein Strom-Spannungs-Diagramm mit den Ausgangskennlinien des ersten Halbleiter-Schaltelements und des zweiten Halbleiter-Schaltelements jeweils für sich; und3 shows an embodiment variant of the arrangement with a plurality of devices connected in phase and / or bidirectionally; 4 shows a current-voltage diagram with the output characteristics of the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element, each for itself; and
FIG 5 ein weiteres Strom-Spannungs-Diagramm mit der Ausgangskennlinie der Vorrichtung bzw. der jeweiligen Anordnung zum elektronischen Schalten.5 shows a further current-voltage diagram with the output characteristic of the device or the respective arrangement for electronic switching.
In FIG 1 ist der schaltungstechnische bzw. bauteilspezifische Aufbau einer Vorrichtung la zum elektronischen Schalten eines von einer Stromquelle gespeisten bzw. versorgten Lastelements 2 anhand einer Aus ührungsVariante gezeigt, die vorteilhafterweise unter anderem als einphasiger Gleichstromschalter eingesetzt werden kann. Im Laststrompfad der Vorrichtung la kann an einem der Zu- oder Abfluss-Anschlüsse S bzw. D (Sour- ce bzw. Drain-Ports) die Stromquelle bzw. das Lastelement 2, insbesondere ein Motor, angeschlossen werden.1 shows the circuitry-specific or component-specific structure of a device la for the electronic switching of a load element 2 which is supplied or supplied by a current source on the basis of an embodiment variant which can advantageously be used, inter alia, as a single-phase DC switch. In the load current path of the device 1 a, the current source or the load element 2, in particular a motor, can be connected to one of the inflow or outflow connections S or D (source or drain ports).
Die Vorrichtung la weist hierbei ein erstes Halbleiter- Schaltelement 3a und ein zu diesem laststromseitig, das heißt an jeweils vorgesehenen bzw. im Bereich der Zu- und Abfluss- Anschlüssen S bzw. D (Source- bzw. Drain-Ports) , elektrisch parallelgeschaltetes zweites Halbleiter-Schaltelement 4a im Sinne eines hybriden Leistungsschalters auf. Die Halbleiter- Schaltelemente 3a bzw. 4a sind je nach Anwendungsfall als Leistungs-Halbleiter ausführbar. Sowohl das erste als auch das zweite Halbleiter-Schaltelement 3a bzw. 4a weisen jeweils eine charakterisierende Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie Kl bzw. K2 gemäß FIG 4 auf, mittels derer halbleiterspezifische Verlustleistungen bestimmbar sind.The device la here has a first semiconductor switching element 3a and a second one electrically connected in parallel to the load current side, that is to say at the respectively provided or in the region of the inflow and outflow connections S and D (source and drain ports) Semiconductor switching element 4a in the sense of a hybrid circuit breaker. Depending on the application, the semiconductor switching elements 3a and 4a can be implemented as power semiconductors. Both the first and the second semiconductor switching elements 3a and 4a each have a characterizing current-voltage output characteristic curve K1 or K2 according to FIG. 4, by means of which semiconductor-specific power losses can be determined.
Die Verlustleistung des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a unterscheidet sich jedoch im Vergleich zu der Verlustleistung des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a, derart dass die Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements 3a bzw. 4a durch das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a im Anlaufbetrieb des Lastelements 2 und/oder durch das ersteThe power loss of the first semiconductor switching element 3a, however, differs from the power loss of the second semiconductor switching element 4a, such that the power loss of the respective other semiconductor switching element 3a or 4a by the second semiconductor switching element 4a im Start-up operation of the load element 2 and / or by the first
Halbleiter-Schaltelement 3a im Nennbetrieb des Lastelements 2 unterschritten und dadurch ein den Wirkungsgrad der Vorrichtung la im Sinne eines verbesserten Durchlassverhaltens steigernder Effekt gegeben ist.The semiconductor switching element 3 a falls below in the nominal operation of the load element 2, thereby giving an effect which increases the efficiency of the device 1 a in the sense of an improved transmission behavior.
Das erste Halbleiter-Schaltelement 3a ist dabei auf Grund seiner Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie Kl für den Nennbetrieb und ggf. für den Anlaufbetrieb des Lastelements 2 ausgelegt, wobei das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a durch seine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2 vorwiegend für den Anlaufbetrieb des Lastelements 2 charakterisiert ist. Das Durchlassverhalten der beiden Halbleiter-Schaltelement 3a bzw. 4a wird also durch die zugehörige, die Verlustleistung wiedergebende Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie Kl bzw. K2 bestimmt.The first semiconductor switching element 3a is designed on the basis of its current-voltage output characteristic curve K 1 for the nominal operation and possibly for the start-up operation of the load element 2, the second semiconductor switching element 4 a primarily for the start-up operation due to its current-voltage output characteristic curve K 2 of the load element 2 is characterized. The transmission behavior of the two semiconductor switching elements 3a and 4a is thus determined by the associated current-voltage output characteristic curve K1 or K2, which represents the power loss.
Steuerstromseitig weisen das erste Halbleiter-Schaltelement 3a und das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a jeweils einen ansteuerbaren Anschluss G (Gate) auf, der hier elektrisch zusammengeschaltet ist und dadurch eine gleichzeitige und voneinander abhängige Ansteuerung beider Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a gewährleistet. Vorteilhafterweise kann dabei der Laststrom in Abhängigkeit der Charakteristik der jeweiligen Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie im Anlaufbetrieb des Lastelements 2 über beide Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a und im Nennbetrieb über das erste Halbleiter-Schaltelement 3a fließen.On the control current side, the first semiconductor switching element 3a and the second semiconductor switching element 4a each have a controllable connection G (gate), which is electrically connected here and thereby ensures simultaneous and interdependent activation of both semiconductor switching elements 3a and 4a. Advantageously, the load current can flow as a function of the characteristic of the respective current-voltage output characteristic curve during the start-up operation of the load element 2 via both semiconductor switching elements 3a and 4a and during nominal operation via the first semiconductor switching element 3a.
Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung an dem gemeinsamen Anschluss G zumindest ein Ansteuerglied 5 vorgesehen, das zur Ansteuerung des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a und des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a, insbesondere β zur potentialfreien, also sicherheitsorientierten Ansteuerung mittels eines Optokopplers oder dergleichen dient. Selbstverständlich kann auch eine individuelle, d.h. eine zeitlich versetzte bzw. voneinander unabhängige Ansteuerung der Anschlüsse G mit eigenständigen Ansteuergliedern vorgesehen werden, die ggf. im Sinne einer abhängigen Ansteuerung miteinander kommunizieren. Vorteilhafterweise ist hierbei das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a vor dem ersten Halbleiter- Schaltelement 3a mit einer Steuerspannung an dem entsprechenden Anschluss G beaufschlagt, wodurch eine Strom-Spannungs- Ausgangskennlinie K3 gemäß FIG 5 gegeben ist, die im Anlaufbetrieb bzw. im Nennbetrieb das Durchlassverhalten jeweils eines der beiden Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a bestimmt.Furthermore, in an advantageous embodiment, at least one control element 5 is provided on the common connection G, in particular for controlling the first semiconductor switching element 3a and the second semiconductor switching element 4a β is used for potential-free, ie safety-oriented control by means of an optocoupler or the like. Of course, it is also possible to provide an individual, that is to say a time-shifted or independent control of the connections G with independent control elements which, if appropriate, communicate with one another in the sense of a dependent control. Advantageously, the second semiconductor switching element 4a in front of the first semiconductor switching element 3a is acted upon by a control voltage at the corresponding connection G, as a result of which a current-voltage output characteristic curve K3 according to FIG. 5 is provided, which in each case in start-up operation or in nominal operation is the pass behavior one of the two semiconductor switching elements 3a and 4a is determined.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist einerseits das erste Halbleiter-Schaltelement 3a als Transistor, insbesondere als Siliciumcarbid-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor 6a (SiC-J- FET) mit einem dazu elektrisch in Reihe geschalteten Transistor, insbesondere Silicium-Metalloxid-Feldeffekt-Transistors 7a (Si-MOS-FET) bzw. Siliciumcarbid-Metalloxid-Feldeffekt- Transistor (SiC-MOS-FET) , im Sinne einer Kaskode mit einer geringen DurchlassSpannung, ausgeführt. Der Si-MOS-FET 7a weist seinerseits eine interne und zu diesem antiparallel geschaltete, bipolare Diode Dl auf, die allgemein als Inversdi- ode bzw. interne Freilaufdiode bezeichnet wird.In an advantageous embodiment, the first semiconductor switching element 3a is on the one hand as a transistor, in particular as a silicon carbide junction field-effect transistor 6a (SiC-J-FET) with a transistor electrically connected in series therewith, in particular silicon-metal oxide field-effect transistor 7a (Si-MOS-FET) or silicon carbide metal oxide field-effect transistor (SiC-MOS-FET), in the sense of a cascode with a low forward voltage. The Si-MOS-FET 7a in turn has an internal bipolar diode D1 which is connected antiparallel to this and is generally referred to as an inverse diode or internal freewheeling diode.
Andererseits ist das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a als Transistor, insbesondere als kostengünstiger Silicium- Isolierschicht-Bipolar-Transistor (Si-IGBT) mit einer dazu antiparallel geschalteten Inversdiode D2 ausgeführt, die ihrerseits ebenfalls zu dem ersten Halbleiter-Schaltelement 3a antiparallel geschaltet ist und den Strom bei negativer Drain-Spannung am Si-IGBT vorbeiführt. Der Si-IGBT zeichnet sich durch ein günstiges Verhältnis der Verlustleistungen aus, welches sich aus dem Quotienten der Anlaufbetriebsverlustleistung zu der Nennbetriebsverlustleistung ergibt. Zugleich bestimmt der Si-IGBT bei vorgenannter Parallelschaltung mit der Kaskode die Kurzschlussfestigkeit bzw. die thermische Kurzschlussbelastbarkeit - Strom, der von einem Halbleiter bzw. Halbleiterverbund eine bestimmte Zeit, hier etwa 10 μs, Schadensfrei geführt werden kann - der Vorrichtung la.On the other hand, the second semiconductor switching element 4a is designed as a transistor, in particular as a cost-effective silicon insulating layer bipolar transistor (Si-IGBT) with an inverse diode D2 connected antiparallel to it, which in turn is also connected antiparallel to the first semiconductor switching element 3a and the Current at negative Drain voltage leads past the Si-IGBT. The Si-IGBT is characterized by a favorable ratio of the power losses, which results from the quotient of the start-up operating power loss to the nominal operating power loss. At the same time, the Si-IGBT in the case of the aforementioned parallel connection with the cascode determines the short-circuit strength or the thermal short-circuit capacity - current that can be conducted by a semiconductor or semiconductor composite for a certain time, here about 10 μs, without damage - of the device la.
Im Hinblick auf die optimierte Verlustleistungsbilanz während des Anlauf- und Nennbetriebs auf Grund besagter Synergieausnutzung kann kostenintensive Siliciumcarbid-Fläche eingespart werden. Diese vorrichtungsökonomischen Vorteile ergeben sich dadurch, dass der SiC-J-FET 6a lediglich hinsichtlich seines Nennstroms bemessen werden muss und sich daraus ein Optimierungspotential zur Verringerung der Verlustleistung bzw. der Betriebstemperatur ergibt. Es ist demnach möglich die Siliciumcarbid-Fläche des SiC-J-FET 6a in etwa entsprechend dem Verhältnis von Nennstrom zu Anlaufstrom zu verringern, so dass ein bauraum- sowie kostensparender Aufbau der Vorrichtung la erzielbar ist.In view of the optimized power loss balance during start-up and nominal operation due to said synergy utilization, cost-intensive silicon carbide area can be saved. These device-economic advantages result from the fact that the SiC-J-FET 6a only has to be dimensioned with regard to its nominal current and this results in an optimization potential for reducing the power loss or the operating temperature. It is accordingly possible to reduce the silicon carbide area of the SiC-J-FET 6a approximately in accordance with the ratio of the nominal current to the starting current, so that a construction-space-saving and cost-saving construction of the device la can be achieved.
Gemäß FIG 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsvariante einer Anordnung mit zwei bidirektional geschalteten Vorrichtungen la bzw. lb gezeigt, die unter anderem als einphasiger Wechselstromschalter eingesetzt werden kann. Hierbei ist zu der Vorrichtung la eine baugleiche und laststromseitig elektrisch antiseriellgeschaltete, weitere Vorrichtung lb in Reihe zu . dem Lastelement 2 gegeben. Die Vorrichtung lb ist, entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1, an beiden Halbleiter-Schaltelementen 3b bzw. 4b ebenfalls mit einem Anschluss G sowie mit einer Diode Dl, einer Inversdiode D2, einem SiC- J-FET 6b, einem Si-MOS-FET 7b und einem Si-IGBT in gleicher Weise ausgestattet.According to FIG. 2, an advantageous embodiment variant of an arrangement with two bidirectionally switched devices 1 a and 1 b is shown, which can be used, inter alia, as a single-phase AC switch. In this case, an additional device 1b of identical construction and electrically anti-serial connected on the load current side is connected in series with the device 1 a. given the load element 2. The device 1b, in accordance with the exemplary embodiment according to FIG. 1, is likewise provided on both semiconductor switching elements 3b or 4b with a connection G and with a diode D1, an inverse diode D2, a SiC J-FET 6b, a Si-MOS-FET 7b and a Si-IGBT equipped in the same way.
Zumindest das eine Ansteuerglied 5 kann hierbei mit den entsprechenden Anschlüssen G elektrisch leitend verbunden werden, derart dass eine gleichzeitige und/oder voneinander abhängige Ansteuerung der beiden Halbleiter-Schaltelemente 3b bzw. 4b respektive der beiden Vorrichtungen la,lb gegeben ist. Selbstverständlich sind die Anschlüsse G auch zeitlich versetzt und/oder voneinander unabhängig mit mehreren Ansteuergliedern, insbesondere potentialfrei, ansteuerbar.At least one control element 5 can in this case be electrically conductively connected to the corresponding connections G such that simultaneous and / or interdependent control of the two semiconductor switching elements 3b or 4b or of the two devices 1a, 1b is provided. Of course, the connections G are also staggered in time and / or can be controlled independently of one another with a plurality of control elements, in particular potential-free.
In FIG 3 ist eine Ausführungsvariante der Anordnung bzw. der Vorrichtung la gemäß FIG 1 bzw. 2 mit mehreren, phasenparallel und/oder bidirektional geschalteten Vorrichtungen gezeigt, die vorteilhafterweise unter anderem als mehrphasiger Wechsel- bzw. Drehstromschalter eingesetzt werden kann. Ein erster Teil der Anordnung bezieht sich dabei auf eine Anordnung, bei der die Schaltvorrichtung la zusammen mit zumindest einer baugleichen und laststromseitig elektrisch phasenparallel geschalteten, weiteren Schaltvorrichtung la je Phase der Stromquelle elektrisch verknüpft und das in Reihe dazu angeordnete Lastelement 4 schaltbar ist.FIG. 3 shows an embodiment variant of the arrangement or the device la according to FIG. 1 or 2 with a plurality of devices connected in phase and / or bidirectional, which can advantageously be used, inter alia, as a multi-phase AC or three-phase switch. A first part of the arrangement relates to an arrangement in which the switching device la is electrically linked together with at least one identical switching device la, which is connected in phase parallel to the load current, for each phase of the current source, and the load element 4 arranged in series with it can be switched.
Weiterhin ist eine erweiterte Anordnung gezeigt, bei der zu den Vorrichtungen la - strichliert dargestellt - zusätzliche Vorrichtungen lb vorgesehen sind. Besagte Anordnung mit laststromseitig elektrisch bidirektional geschalteten Vorrichtungen la bzw. lb je Phase der Stromquelle gemäß FIG 2 dient in Verbindung mit zumindest einer elektrisch phasenparallel geschalteten weiteren, insbesondere baugleichen, elektrisch bidirektional geschalteten Vorrichtung la bzw. lb zum Ein- und Ausschalten des Lastelements 2.Furthermore, an expanded arrangement is shown, in which additional devices 1b are provided for the devices, shown in dashed lines. Said arrangement with devices bidirectionally connected electrically bidirectionally on the load current side per phase of the current source according to FIG. 2 serves in conjunction with at least one further device, connected structurally in parallel, in particular structurally identical, bidirectionally switched devices la or lb for switching the load element 2 on and off.
Bei dieser Anordnung bezieht sich jeweils ein antiseriellge- schaltetes Vorrichtungspaar la, lb auf jeweils eine Phase einer Drehstromquelle, wobei hier ein drehstromgespeistes Last- element 2, insbesondere ein drehstromgespeister Motor, in Abhängigkeit der Ansteuerung des Ansteuerglieds 5 zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Die gezeigte Ausführungsvariante ist in den drei Phasen gleich aufgebaut, weswegen der Aufbau mit dem Ansteuerglied 5 hier, bezogen auf eine Phase, vereinfacht dargestellt ist.In this arrangement, a pair of anti-serial devices la, lb relates to one phase of a three-phase source, with a three-phase load element 2, in particular a three-phase motor, can be switched on or off depending on the activation of the control element 5. The embodiment variant shown has the same structure in the three phases, which is why the structure with the control element 5 is shown here in a simplified manner, based on one phase.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante gemäß FIG 4 verläuft die Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie Kl des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a linear und die Strom-Spannungs- Ausgangskennlinie K2 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a parabelförmig, wodurch die Vorrichtung la von der Überlagerung des jeweiligen Kennlinienverlaufs des entsprechenden Halbleiter-Schaltelements 3a bzw. 4a profitiert. Hierbei bedingt die parabelähnliche Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a gegenüber der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie Kl des ersten Halbleiter- Schaltelements 3a bei einem höheren Strom im Anlaufbetrieb eine kleinere Spannung. Auf Grund des Spannungsfalls an dem zweiten Halbleiter-Schaltelement 3a; 3b ergibt sich ein geringes Verhältnis der Verlustleistungen bezogen auf den Anlauf- und Nennstrom.In an advantageous embodiment variant according to FIG. 4, the current-voltage output characteristic curve K 1 of the first semiconductor switching element 3 a is linear and the current-voltage output characteristic curve K 2 of the second semiconductor switching element 4 a is parabolic, as a result of which the device 1 a is superimposed on the respective characteristic curve profile of the corresponding one Semiconductor switching element 3a and 4a benefits. Here, the parabola-like current-voltage output characteristic curve K2 of the second semiconductor switching element 4a requires a lower voltage than the current-voltage output characteristic curve K1 of the first semiconductor switching element 3a at a higher current. Due to the voltage drop at the second semiconductor switching element 3a; 3b results in a low ratio of the power losses based on the starting and nominal current.
In Ergänzung dazu resultiert vorteilhafterweise aus der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie Kl des ersten Halbleiter- Schaltelements 3a; 4a auf Grund dessen geringen Durchlassspannung im Vergleich zu der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a; 4b bei einem kleineren Strom im Nennbetrieb ebenfalls eine kleinere Spannung, so dass die Durchlassverluste auch in dieser Betriebsphase gering gehalten werden können, woraus sich insgesamt eine optimierte Verlustleistungsbilanz durch die Synergieausnutzung beider Halbleiter-Bauelemente 3a, 3b; 4a, 4b gemäß der in FIG 5 dargestellten Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K3 ergibt. Bei den FIG 4 und 5 handelt es sich um Diagramme, welche unter Zugrundelegung der Arbeitspunkte der Vorrichtung la bzw. der Anordnung mit den Vorrichtungen la,lb in Abhängigkeit eines angenommenen Anlauf- und Nennstromes IA bzw. Ie generiert sind. Die Y-Achse stellt hierbei typischerweise die Stromachse ID und die X-Achse die Spannungsachse UDS dar.In addition to this, the current-voltage output characteristic curve K 1 of the first semiconductor switching element 3 a; 4a due to its low forward voltage compared to the current-voltage output characteristic K2 of the second semiconductor switching element 4a; 4b with a smaller current in nominal operation also a smaller voltage, so that the conduction losses can also be kept low in this operating phase, which results in an overall optimized power loss balance through the synergy utilization of both semiconductor components 3a, 3b; 4a, 4b according to the current-voltage output characteristic curve K3 shown in FIG. 4 and 5 are diagrams which are generated on the basis of the operating points of the device la or the arrangement with the devices la, lb as a function of an assumed starting and nominal current I A or I e . The Y axis typically represents the current axis I D and the X axis the voltage axis U DS .
Die zuvor erläuterte Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden:The invention explained above can be summarized as follows:
Um eine Vorrichtung la zum elektronischen Schalten eines Lastelements, eine Anordnung der Vorrichtung sowie eine Verwendung der Vorrichtung bzw. der Anordnung zu erzielen, die sich sowohl im Anlaufbetrieb wie auch im Nennbetrieb eines zu schaltenden Lastelements 2 durch eine geringe Wärmeentwicklung auszeichnen sollen, ist hinsichtlich der Vorrichtung vorgesehen, dass neben einem ersten Halbleiter-Schaltelement 3a mit einer bestimmbaren Verlustleistung ein dazu laststromseitig elektrisch parallelgeschaltetes zweites Halbleiter- Schaltelement 4a mit einer bestimmbaren, jedoch zur Verlustleistung des ersten Halbleiter-Schaltelement 3a unterschiedlichen Verlustleistung gegeben ist, wobei die Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements durch das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a im Anlaufbetrieb des Lastelements 2 und/oder durch das erste Halbleiter-Schaltelement 3a im Nennbetrieb des Lastelements 2 unterschritten ist. In order to achieve a device 1 a for the electronic switching of a load element, an arrangement of the device and a use of the device or the arrangement, which are to be characterized by low heat development both in the start-up mode and in the rated mode of a load element 2 to be switched, with regard to FIG Device provided that in addition to a first semiconductor switching element 3a with a determinable power loss, there is a second semiconductor switching element 4a which is electrically connected in parallel on the load current side and has a determinable but different power loss for the first semiconductor switching element 3a, the power loss of the respective other semiconductor Switching element by the second semiconductor switching element 4a in the start-up mode of the load element 2 and / or by the first semiconductor switching element 3a in the nominal mode of the load element 2.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (la) zum elektronischen Schalten eines von einer Stromquelle gespeisten Lastelements (2),1. Device (la) for electronically switching a load element (2) fed by a current source,
- mit einem ersten Halbleiter-Schaltelement (3a) mit einer durch seine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie (Kl) bestimmbaren Verlustleistung;- With a first semiconductor switching element (3a) with a power loss determined by its current-voltage output characteristic (Kl);
- mit einem zu dem ersten Halbleiter-Schaltelement (3a) laststromseitig elektrisch parallelgeschalteten zweiten Halbleiter-Schaltelement (4a) mit einer ebenso durch seine Stro -Spannungs-Ausgangskennlinie (K2) bestimmbaren, jedoch zur Verlustleistung des ersten Halbleiter- Schaltelement (3a) unterschiedlichen Verlustleistung;- With a second semiconductor switching element (4a) which is electrically connected in parallel with the load current on the load current side and has a power loss which can also be determined by its current-voltage output characteristic (K2) but is different for the power loss of the first semiconductor switching element (3a) ;
- mit einer Unterschreitung der Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements (3a bzw. 4a) durch das zweite Halbleiter-Schaltelement (4a) im Anlaufbetrieb des Lastelements (2) und/oder durch das erste Halbleiter- Schaltelement (3a) im Nennbetrieb des Lastelements (2) .- If the power loss of the respective other semiconductor switching element (3a or 4a) is undershot by the second semiconductor switching element (4a) during start-up operation of the load element (2) and / or by the first semiconductor switching element (3a) in the nominal operation of the load element (2).
2. Vorrichtung (la) nach Anspruch 1, mit einem linearen Verlauf der Strom-Spannungs-Ausgangskenn- linie (Kl) des ersten Halbleiter-Schaltelements (3a) und/oder einem parabelähnlichen Verlauf der Strom-Spannungs-Ausgangs- kennlinie (K2) des zweiten Halbleiter-Schaltelements (4a) .2. Device (la) according to claim 1, with a linear profile of the current-voltage output characteristic (Kl) of the first semiconductor switching element (3a) and / or a parabolic-like profile of the current-voltage output characteristic (K2) of the second semiconductor switching element (4a).
3. Vorrichtung (la) nach Anspruch 1 und/oder 2, mit jeweils einem steuerstromseitig elektrisch ansteuerbaren Anschluss (G) des ersten Halbleiter-Schaltelements (3a) und des zweiten Halbleiter-Schaltelements (4a) .3. Device (la) according to claim 1 and / or 2, each having a control current side electrically controllable connection (G) of the first semiconductor switching element (3a) and the second semiconductor switching element (4a).
4. Vorrichtung (la) nach Anspruch 3, mit einer gleichzeitigen und/oder voneinander abhängigen Ansteuerung der Anschlüsse (G) . 4. The device (la) according to claim 3, with a simultaneous and / or interdependent control of the connections (G).
5. Vorrichtung (la) nach Anspruch 4, mit einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Anschlüssen (G) .5. The device (la) according to claim 4, with an electrically conductive connection between the terminals (G).
6. Vorrichtung (la) nach Anspruch 3, mit einer zeitlich versetzten und/oder voneinander unabhängigen Ansteuerung der Anschlüsse (G) .6. The device (la) according to claim 3, with a staggered and / or mutually independent control of the connections (G).
7. Vorrichtung (la) nach Anspruch 5, mit einer Ansteuerung nur des zweiten Halbleiter- Schaltelements (4a) im Anlaufbetrieb und einer Ansteuerung nur des ersten Halbleiter-Schaltelements (3a) im Nennbetrieb,7. The device (la) according to claim 5, with a control of only the second semiconductor switching element (4a) in the start-up mode and a control of only the first semiconductor switching element (3a) in the rated mode,
8. Vorrichtung (la) nach Anspruch 1 bis 3 und 7, mit einem Transistor, insbesondere Siliciumcarbid- Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (6a), und einem dazu, im Sinne einer Kaskode, elektrisch in Reihe geschalteten Transistor, insbesondere Silicium-Metalloxid-Feldeffekt- Transistor (7a), als erstes Halbleiter-Schaltelement (3a).8. The device (la) according to claim 1 to 3 and 7, with a transistor, in particular silicon carbide junction field-effect transistor (6a), and one, in the sense of a cascode, electrically connected in series transistor, in particular silicon-metal oxide Field effect transistor (7a), as the first semiconductor switching element (3a).
9. Vorrichtung (la) nach Anspruch 8, mit einer Reihenschaltung aus dem Siliciumcarbid-Sperr- schicht-Feldeffekt-Transistor und einem Siliciumcarbid- Metalloxid-Feldeffekt-Transistor als erstes Halbleiter- Schaltelement (3a) .9. The device (la) according to claim 8, with a series circuit of the silicon carbide barrier layer field effect transistor and a silicon carbide metal oxide field effect transistor as the first semiconductor switching element (3a).
10. Vorrichtung (la) nach Anspruch 1 bis 3 und 7, mit einem Transistor, insbesondere Silicium-Isolierschicht- Bipolar-Transistor, als zweites Halbleiter-Schaltelement (4a). 10. The device (la) according to claim 1 to 3 and 7, with a transistor, in particular silicon insulating layer bipolar transistor, as a second semiconductor switching element (4a).
11. Vorrichtung (la) nach Anspruch 1, mit zumindest einem Ansteuerglied (5) zur Ansteuerung, insbesondere zur potentialfreien Ansteuerung, der Halbleiter-Bauelemente (3a, 3b) über die Anschlüsse (G) .11. The device (la) according to claim 1, with at least one control element (5) for control, in particular for potential-free control, of the semiconductor components (3a, 3b) via the connections (G).
12. Anordnung mit einer Vorrichtung (la) nach Anspruch 1, zusammen mit zumindest einer laststromseitig elektrisch phasenparallel geschalteten, weiteren Vorrichtung (la) zum e- lektronischen Schalten je Phase der Stromquelle und jeweils für sich in Reihe zu dem Lastelement (2) .12. Arrangement with a device (la) according to claim 1, together with at least one load current side electrically connected in phase parallel, further device (la) for electronic switching per phase of the current source and in each case in series with the load element (2).
13. Anordnung mit einer Vorrichtung (la) nach Anspruch 1, zusammen mit einer laststromseitig elektrisch bidirektional geschalteten, weiteren Vorrichtung (lb) zum elektronischen Schalten je Phase der Stromquelle in Reihe zu dem Lastelement (2) .13. Arrangement with a device (la) according to claim 1, together with a load current side electrically bidirectionally connected, further device (lb) for electronic switching per phase of the current source in series with the load element (2).
14. Anordnung nach Anspruch 13, zusammen mit zumindest einer laststromseitig elektrisch phasenparallel geschalteten, weiteren Vorrichtung (la,lb) zum elektronischen Schalten je Phase der Stromquelle und jeweils für sich in Reihe zu dem Lastelement (2) .14. Arrangement according to claim 13, together with at least one load current side electrically connected in phase parallel, further device (la, lb) for electronic switching per phase of the current source and in each case in series with the load element (2).
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, mit einer zu der jeweiligen Vorrichtung (la;la,lb) baugleichen weiteren Vorrichtungen (la;la,lb).15. Arrangement according to one of claims 12 to 14, with a to the respective device (la; la, lb) identical devices (la; la, lb).
16. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, mit zumindest einem Ansteuerglied (5) zur Ansteuerung, insbesondere zur potentialfreien Ansteuerung, der Halbleiter-Bauelemente16. The arrangement according to claim 12 or 13, with at least one control element (5) for control, in particular for potential-free control, of the semiconductor components
(3a, 3b; 4a, 4b) über die Anschlüsse (G) .(3a, 3b; 4a, 4b) via the connections (G).
17. Verwendung der Vorrichtung (la) nach Anspruch 1 bzw. der Anordnung nach Anspruch 12, im Sinne eines ein- oder mehrphasigen Gleichstromschalters. 17. Use of the device (la) according to claim 1 or the arrangement according to claim 12, in the sense of a single-phase or multi-phase DC switch.
18. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, im Sinne eines ein- oder mehrphasigen Wechselstromschalters.18. Use of the arrangement according to one of claims 13 or 14, in the sense of a single-phase or multi-phase AC switch.
19. Verwendung der Vorrichtung (la;la,lb) bzw. der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Wechselbzw. Drehstromnetz.19. Use of the device (la; la, lb) or the arrangement according to one of the preceding claims in a Wechselbzw. Three-phase system.
20. Verwendung der Vorrichtung (la;la,lb) bzw. der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur An- und Abschaltung eines elektrischen Motors. 20. Use of the device (la; la, lb) or the arrangement according to one of the preceding claims for switching an electric motor on and off.
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