WO2018184607A1 - Schaltungsanordnung für optisch steuerbares, leistungselektronisches bauelement und verwendung - Google Patents

Schaltungsanordnung für optisch steuerbares, leistungselektronisches bauelement und verwendung Download PDF

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WO2018184607A1
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Jens Ranneberg
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Hochschule Für Technik Und Wirtschaft Berlin
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    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for an optically controllable, power-electronic device and use.
  • the power electronics is a branch of electrical engineering, which deals in particular with the transformation of electrical energy with switching electronic components.
  • Semiconductors are semiconductor components (power electronic components) that are designed in power electronics for controlling and switching high electrical currents and voltages.
  • the electrical currents here are regularly at least 1 A.
  • Voltages are at least about 24 V. Currents and voltages up to several thousand amps and volts can be controlled or switched.
  • the power semiconductors are often manufactured in Moduigephaseen. Therein are usually several LHL chips arranged in a Moduigephase. Another common form of housing is the disc cell. In this one or more chips can be arranged. Especially made of GaN LHL are manufactured according to the operating principle of the High Electron obiliiy transistor (HEMT). Since these initially without control voltage sides (normai-an), their use in power electronic devices is critical because it can come in case of failure of the control voltage or when switching on and / or off the device to a short. Therefore, these normally-on HEMTs are partially connected together with a Si-MOSFET (normal-off) as a cascode. Although it is also possible to produce HEMTs that lock without control voltage (normal-off), However, this represents additional effort in the production.
  • HEMT High Electron obiliiy transistor
  • the object of the invention is to provide an arrangement for an optically controllable, power electronic component in which a simple and reliable optical switch-on and switch-off is made possible.
  • a seeding arrangement for an optically controllable, power-electronic component which can be switched on and off.
  • a sprung-sensitive circuit element as well as a soupgurle ter- circuit are provided, the nachgeschaltef an output of the photosensitive circuit element for switching on and off and is designed as one of the following circuits: cascode circuit with two in series bathhaibieiter Scha! and Supercaskoden circuit with more than two series-connected cruffleer circuit elements.
  • an optical coupling element is provided which is adapted to receive optical control signals for switching on and off and to give to the photosensitive circuit element.
  • the tracking arrangement can be used in one of the following electrical devices: live power converters, GIE current dividers, rectifiers, inverters, AC load switch, DC load switch, and three-phase load switch.
  • the power semiconductor circuit elements may be transistors.
  • power devices are semiconductor devices that are designed in power electronics for controlling and switching high electrical currents and voltages.
  • leisiungselektronischen device can be provided that this is designed as a tripodhaibleiter housing.
  • the photosensitive sheer belt may be formed with a photodiode or a series connection of a plurality of photodiodes.
  • the photosensitive circuit element in this or other embodiments may be implemented with a resistor in parallel, for example a resistor in parallel with the one or more series of photodiodes.
  • the photosensitive damage element can be made of a semiconductor material! which has a bandgap that is greater than the bandgap of silicon.
  • the photodiodes may be formed of the semiconductor material having the larger bandgap than silicon.
  • the two power semiconductor switching elements of the cascode circuit or the plurality of power semiconductor elements of the supercascode circuit may be implemented as high electron mobility transistors or metal oxide semiconductor field effect transistors (OSFETs). For the high electron mobility transistor, the abbreviation HEMT (High Electron Mobility Transistor) is also used.
  • the MOSFET can form a controllable element of the power semiconductor circuit.
  • the power semiconductor circuit elements of the cascode circuit or the super-cascode circuit may each be implemented as a MOSFET. In the case of cascode switching, one of the two MOSFETs can be assigned an additional charge, by means of which the MOSFET behaves as a normal-to-circuit element. In the supercascode circuit, all of the power semiconductor circuit elements may be formed both as MOSFETs and as HEMTs. In the case of the super-cascode circuit, circuit arrangements for balancing the blocking voltage can be assigned to the semiconductor network circuit elements.
  • the freewheeling circuit element may be connected in parallel with the load and configured to provide a switching path for a load current when turned off.
  • the free-wheeling circuit element may be a semiconductor diode.
  • the driver circuit may be arranged between the photosensitive circuit element and the power semiconductor circuit.
  • the driver circuit can be fed from the main circuit, ie the circuit which is switched by the power semiconductor circuit.
  • the photosensitive circuit element of the semiconductor material is silicon (Si).
  • An optical transmitter can be coupled to the optical coupling element.
  • the photosensitive circuit element can be exposed to light from the optical transmitter in order to control the switching process.
  • the optical transmitter can with a be formed light-emitting diode.
  • the optical transmitter and the photosensitive circuit element may be formed so that a detachable connection can be provided between the optical transmitter and the photosensitive circuit element.
  • the optical coupling element may have an attachment for an optical waveguide.
  • the optical transmitter and the light-sensitive circuit element may each have an attachment for a light guide, which connects both optically.
  • an optically controllable power electronic device in which the photosensitive circuit element and a transistor of the cascode circuit or the supercascode circuit, for which a gate potential is generated by the photosensitive circuit element, on a common power semiconductor chip are executed.
  • an optically controllable power electronic device in which the photosensitive circuit element, an amplifier stage and a transistor of the cascode circuit or the supercascode circuit, for which a gate potential is generated by the amplifier stage, on a common power semiconductor chip are executed.
  • the Schaitungsan note may be formed on a common semiconductor chip. It may be provided that in the embodiment with driver circuit, this is also arranged in the same Halbieiierchip or in the common component housing.
  • the common power semiconductor chip can be interconnected with at least one further power semiconductor chip in a common chip housing.
  • optically controllable, power electronic component provided in the various embodiments can be switched on as well as switched off.
  • the reverse voltage can be limited by means of a so-called CLAMP.
  • one of the power semiconductor circuit elements particularly a transistor T1 realized as a semiconductor device, may receive its gate bias from a supply voltage of the driver circuit to behave like a normal-to-half semiconductor device.
  • an arrangement for an electronic component which is designed according to one of the above explanations.
  • the arrangement has a housing and a power semiconductor circuit.
  • the power semiconductor circuit is formed with power semiconductors and arranged in the housing. With the power semiconductors, parallel series circuits are formed between circuit terminals of the power semiconductor circuit.
  • the following circuit parameters are scalable for the power semiconductor circuit: a Beiriebsfunktion means of a optically switched on and off power semiconductor in the paraSiel connected series circuits; a withstand voltage by means of at least one respective voltage-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits, which is connected in series in the respective series circuits with the function-determining power semiconductor; and a current capability of the number of parallel-connected series circuits.
  • a module housing for a power electronic component is provided with such an arrangement.
  • the withstand voltage of the power semiconductor circuit indicates a maximum reverse voltage for the power semiconductor circuit.
  • the controllability of the power electronic component can be determined by means of the optically switchable power semiconductor.
  • a module housing may be formed, in which the power semiconductor circuit is arranged on an insulating substrate, which is arranged on the housing on the inside.
  • the insulating substrate may be a ceramic substrate.
  • the insulating substrate with the power semiconductor circuit formed thereon can be arranged in the interior of the housing on the bottom plate of the housing.
  • a disk row may be formed in which the power semiconductor circuit is arranged on the inside and is electrically connected to the main terminals D and S with the contacts of the disk cell.
  • an introduction for a light conductor can be provided, for example laterally, to allow the optical control.
  • a disk arrangement can be formed, which has a machining cell, in which in a respective stack of at least one part of the series circuits connected in parallel a wafer disk is stacked with the optically on and off power semiconductor and another wafer disk with the voltage-determining power semiconductor and connections of the wafer disk with terminals the other wafer disc are connected.
  • the wafer disk with the optically switchable power semiconductor and the wafer disks with the voltage-determining power semiconductor can consist of the same semiconductor material or of different semiconductor materials.
  • the wafer disk may have a plurality of voltage-determining power conductors. Multiple wafer slices with a respective voltage-determining power cholesterol may be provided.
  • the disk arrangement may form a common disk cell for the wafer disks.
  • a common clamping system When assembling several disc arrangements (disc cells), a common clamping system can be produced.
  • the scalability in terms of withstand voltage arises over the number of stacked and thereby in-line disk assemblies.
  • the control connections used for a super-cascode can be led out on a top side and a bottom side, so that when several disk cells are stacked, the series connections are contacted by themselves.
  • a cooling box for cooling the supercascode can be provided, in which the control terminals are plated through.
  • An electrically conductive intermediate layer may be arranged between the wafer disk and the further wafer disk.
  • a voltage-symmetrizing circuit element can be formed in each case in parallel-connected series circuits.
  • each a voltage-symmetnerendes circuit element learn in the parallel connected Reeschhenschaitungen each a voltage-symmetnerendes circuit element be formed.
  • the voltage-symmetrizing circuit element can provide for a defined division of the blocking voltage on the individual voltage-determining hohaibleiter a series circuit.
  • the voltage-symmetrizing circuit element can be arranged with the voltage-determining power semiconductor in a wafer disk.
  • the parallel-connected series circuits may each have a plurality (for example, at least two) of voltage-determining and mutually connected in series hohaibleiter, which are connected in series with the function-determining bathiter.
  • Theticianhaibleiter »particular the photodiode and TO may Halbleitermateriaiien consist of silicon or the following group of" wide bandgap semiconductor ": Siiizi- to carbide, gallium nitride, GaSüum arsenide, gallium oxide, diamond, and aluminum AiuminiumgaHiumindi- urnnitrid nitride.
  • a cooling box is arranged between adjacent disc bodies, in which connections to opposite flat sides of the cervid are led out, in particular a main connector and at least one control connector electrically insulated against the main connector.
  • a cooling box which has Schauch in adedosen- body connections, which communicate withméfluidkanäien in the cooler body. Through the cooling box through a via can be made, which is surrounded by electrical insulation.
  • a control connection can be guided through the cooling-can body, such that contacts of the through-connection can be arranged on opposite flat sides of the cooling-body body.
  • contacts for one or more main connections can be arranged on the flat sides.
  • a stacked arrangement in which the cooling cans are arranged between disk rows, such that the control connections and main connections are in each case formed by the cooling system. can body are passed. The control terminals are electrically isolated connected. The connections can then be connected to associated changes in the disc cells, which are also formed on a flat side.
  • the disk cells in the stack can have a disk cell with a function-determining semiconductor as well as further disk elements with voltage-determining power semiconductors connected in the form of parailei.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement for an optically controllable power electronic component with a cascode circuit
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a circuit arrangement for an optically controllable, power-electronic component with a super-cascode circuit
  • Fig. 3 is a schematiscne representation of the circuit arrangement of Figure 1, wherein a diode rectifier is connected as a switch for ecbselpressives- or Drehstromiasten.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a circuit arrangement for an optically controllable, power electronic component with a cascode Scheitung, wherein a driver circuit is integrated, which is supplied from a load circuit with energy, the voltage over TO limited (“clamped”) and for the various possibilities of optical control are shown;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a further circuit arrangement for an optically controllable, power-electronic component with a cascode circuit, wherein a driver circuit is integrated;
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of another circuit arrangement for an optically controllable, power-electronic component with a cascode circuit, wherein a driver circuit is shown and via a dotted connection of the gate from T1 to X an embodiment for a power semiconductor T1 with normal-off behavior will be shown;
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a circuit arrangement for an optically controllable, power-electronic component with a cascode circuit with a normal-off transistor TO and a plurality of parallel-connected normal-to transistors T1a to Tin, whereby the current carrying capacity can be increased or scaled; 8 is a graphical representation of the on and off behavior of a Schaitungsan- order for an optically controllable, power electronic device with a cascade circuit of FIG. 1 at 300V at 1, 9A and
  • FIG. 9 shows a graphical representation of the turn-on and turn-off behavior of an optically controllable power electronic component with a two-stage supercasconduction device.
  • Circuit of Fig. 2 at 450V at 1, 3 A a circuit arrangement for an optically controllable, power electronic device and an optically controllable, power electronic device will be described with reference to FIGS.
  • the circuit arrangement can be formed, for example, with a cascode circuit or a super-cascode circuit.
  • the on-control by means of optical signals can be realized with a photodiode D E illuminated by a light-emitting coil (LWL).
  • LWL light-emitting coil
  • the photodiode D E from a Halbieitermaterial with higher band gap can be used as Si, such as silicon carbide (SIC) or an ili-V compound semiconductor, for example, Gailium niiride (GaN)
  • SIC silicon carbide
  • Gailium niiride GaN
  • the characteristic of a photodiode usually shows an open circuit voltage U 0 , which is determined by the semiconductor material used and only slightly depends on the illuminance.
  • the short-circuit current I K is decisively determined by the illuminance and the efficiency of the photodiode.
  • the transconductance g ⁇ ( "iransconductance") of the tvlöS- FETs 1 can be read.
  • the open circuit voltage of the photodiode is at least as large, which is why a photodiode consists of a "wide bandgap serni- A series connection of Si photodiodes may alternatively be provided, but may make the coupling of a light waveguide difficult.
  • the channel resistance for a given channel formation Q becomes smaller the lower the blocking voltage U D ss is. This channel resistance (regardless of the half-ester material) even depends quadratically on the blocking voltage.
  • the MOSFET TO triggered by the photodiode D £ need only have a blocking voltage equal to the magnitude of the gate-source threshold voltage of the floating HESvIT T1, which is usually about 3 to 5V. So if the MOSFET TO only for example! 10 V is designed and the cascode should have a blocking voltage of, for example, 300 V, would result in a factor
  • the cascode is aiso particularly suitable for providing a higher-barrier power semiconductor device which can be controlled with a low charge Q. In order to achieve even higher reverse voltages, the cascode can be extended to the supercaskode. A significant improvement can also be expected if the Si-MOSFET TO used here is replaced by an charge-controlled power semiconductor made of GaN (for example a normally-off HEMT) or SIC (for example a MOSFET) whose blocking voltage is only a fraction of the Blocking voltage of the entire cascode or super-code is.
  • GaN for example a normally-off HEMT
  • SIC for example a MOSFET
  • the MOSFET TO not made of Si, but (as a self-locking, normai-off) GaN (or SiC ⁇ ) device to realize, since GaN with respect to Si at the same ESektronenbewegiichkeit ⁇ ⁇ has an eleven times higher breakdown field strength E crit.
  • This would make it possible to achieve a lower product of the on-state resistance and gate charge by the factor 1 1 * 11 121, ie for the same through-resistance (with the same blocking voltage) only the 1 / 121-0.0083-fold gate charge would be required would drastically increase the switching speed as well as the switchable load current.
  • the photodiode and the HE T could be made of the same material and optionally on the same chip.
  • An embodiment of the photodiode made of a semiconductor material ai with a higher band gap results in a higher control voltage ÜGSO than would be the case with a Si photodiode.
  • This allows greater freedom in the gate-source-threshold voltage of the MOSFETs. Since this can be avoided in case of Si photodiodes possibly necessary series connection of the same, the coupling of a Lichtweüenieiters for driving is considerably simplified.
  • the cascode is as well known as the super cascode. It is advantageous here that the controllable element, that is to say the MOSFET TO in FIG. 1, is restricted in its blocking capacity to the gate-source voltage of the normal-to-HEMT T1 (see FIG. 2).
  • the Roson achieves very low values with a small blocking voltage
  • a cascode or supercascode consisting of a light-controlled normai-off MOSFET TO and a plurality of normal-connected HEMTs T1a to Tin connected in parallel to increase the current carrying capacity build up (see Fig. 7).
  • a super-cascode can be built instead, in which as many HEMTs are connected in series, as is necessary for the blocking voltage (see Fig. 2).
  • the control side and the MOSFET TO are independent of the total reverse voltage.
  • no additional effort is needed in the manufacture of the HEMT, which is needed to achieve a normai-off behavior. Further aspects for controlling the required charge and power are explained below.
  • the Si MOSFET T1 (or T1 and T2 in the super-cascode) used for the experiments with the cascode, which is brought to normal-behavior by an additional voltage in the gate line, has an R Ds0 n -4.4 ⁇
  • a blue LED (light-emitting diode) was used as the photodiode instead.
  • the color of the LED is closely related to the band gap of the Haibieiterma- material used, for blue LEDs, a high band gap is necessary.
  • Light-emitting diodes have in operation as a photodiode only a very low short-circuit current and a high junction capacitance on what leads to high switching times.
  • a suitable photodiode of, for example, GaN the switching behavior of the light-controlled cascode or super-cascode could be significantly accelerated and thus improved.
  • a normally-off Si-MOSFET is tentatively brought to a normal-on behavior by means of an additional bias at the gate for T1.
  • a resistor in parallel with TO is to prevent the reverse current of T1 from driving the MOSFET TO into the breakdown. The same function is fulfilled by the diode D C! Amp in Fig. 4.
  • diodes of the same type that is, of the same semi-precious material, are used and mounted on each other so that the transmitting diode directly shines into the receiver diode.
  • the load resistance R L33 t was 150 ⁇ . At the used DC voltage of 300V, a load current i L3S and a power P Lasi result in the load of
  • the diode Dp ⁇ see Fig. 5 is the flywheel diode of the switch which provides a path for the load current after shutdown.
  • Fig. 8 shows a graph for the switching off of the light-controlled cascode to 300 V at 1.9 A
  • the resulting switching times are rather slow (time axis 40 3 / division). This is due to the replacement of the photodiode, for example a GaN photodiode, by a blue LED.
  • the charge at startup would be faster, and a smaller resistance R G could be used which would speed up the shutdown (see above).
  • the load resistance R La st was 340 ⁇ .
  • a load current k 3s t and a power P LgsS result in the load of
  • the voltage distribution within the super-cascode according to FIG. 2 is effected by the suppressor or zener diodes ⁇ ⁇ , whose breakdown voltage determines the voltage division between T1 and T2.
  • the two normai-on power MGSFETs T1 and T2 were replaced by normai-out of MOSFETs, which were brought to normal behavior by two hopping voltage lines between gate and source. If, instead, the proper GaN ⁇ HEMTs were used with normal-to-verbs, these high-frequency strains would not be necessary.
  • FIGS. 4 and 5 show a schematic representation of a circuit arrangement for an optically controllable, power electronic component with a cascode circuit, wherein a driver circuit is integrated.
  • the driver stage is supplied from the main circuit.
  • the power consumption of a driver stage for a cascode or super-cascode can be low, since only the MOSFET TO must be driven with its very low blocking capability and the gate charge required for this is very low (compare the above calculations for the different energies W Tr _ 0 n Therefore, in the case of a cascode or super-cascode, a driver stage with the supply of the main circuit and the amplifier stage, which is bordered by a dashed line in dashed lines, can advantageously be embodied integrated in a housing.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of another embodiment of an optically controllable power electronic component with a cascode circuit, wherein a driver circuit is integrated.
  • the driver stage is supplied from the main circuit and via Dc; a mp blocking voltage from TO to max. U 2 limited (clampt).
  • T1 for a semiconductor to be used which has a normai-off behavior, for example, a Si-MOSFET
  • the driver stage can be recovered its gate bias also from the supply voltage U.
  • its gate is not connected to source, but (as shown in dotted lines) to the node marked "x" (see Fig. 6). This results in the following aspects:
  • this driver stage can be both a module housing and a disk cell.
  • this driver stage can also be used for power semiconductors with normal-off ratios, for example, Si-OSFETs or IGBTs.
  • D E , R G and TO, optionally also T1 can be realized from the same semiconductor material on the same chip.
  • Supercashrink complementation can be realized with multiple chips in a common package, similar to what is known per se in Modu packages, where multiple IGBT chips and multiple diode chips are mounted on a ceramic substrate in the same package.
  • a power electronic switch results, which in both Disable directions and can carry power in both directions and optically switched on and off.
  • the circuit arrangement for an optically controllable power electronic device can be used as a light-controlled switch for AC (AC) or AC loads (DS) in the star (see FIG ).
  • the circuitry is then on the DC (GS) side of the bridge and closes when it is driven, this short, so the AC or rotary loads is switched on.
  • Three individual circuits each having a B2 could also turn on and off a three-phase load in the triangle.
  • a further embodiment results when both the transmitting diode D s and the light-controlled cascode / super-cascode or a cascode / super-cascode with integrated driver stage are integrated in a common housing. As a result, an electrical control of the thus executed power electronic component would be necessary. However, it would be the galvanic separation between control and power already in the power electronic device.

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Abstract

Die Offenbarung beschreibt eine Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement, welches ein- und ausschaltbar ist, mit einem lichtempfindlichen Schaltungselement; einer Leistungshalbleiter-Schaltung, die zum Ein- und Ausschalten einem Ausgang des lichtempfindlichen Schaltungselements nachgeschaltet und als eine der folgenden Schaltungen ausgeführt ist: Kaskoden-Schaltung mit zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter-Schaltungselementen und Superkaskoden-Schaltung mit mehr als zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter-Schaltungselementen; und einem optischen Koppelelement, welches eingerichtet ist, optische Steuersignale zum Ein- und Ausschalten zu empfangen und an das lichtempfindliche Schaltungselement zu geben. Des Weiteren ist eine Verwendung einer Schaltungsanordnung offenbart.

Description

Schaitungsanordnung für optisch steuerbares, leistungselektronssches Bauelement und Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, ieistungselekt- ronisches Bauelement sowie Verwendung.
Hintergrund
Die Leistungseiektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik, das sich insbesondere mit der Umformung elektrischer Energie mit schaltenden elektronischen Bauelementen beschäftigt. Leästungshalbleiter sind Haibieiterbauelemente (leistungselektronische Bauelemente), die in der Leistungselektronik für das Steuern und das Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind. Die elektrischen Ströme betragen hierbei regelmäßig wenigstens 1 A. Spannungen betragen wenigstens etwa 24 V. Ströme und Spannungen bis zu mehreren Tausend Ampere und Volt können gesteuert oder geschaltet werden.
Die Leistungshalbleiter (LHL) werden häufig in Moduigehäusen hergestellt. Darin sind zumeist mehrere LHL-Chips in einem Moduigehäuse angeordnet. Eine weitere häufige Gehäuseform ist die Scheibenzelle. In dieser können ein als auch mehrere Chips angeordnet sein. Insbesondere aus GaN werden LHL nach dem Funktionsprinzip des High Electron obiliiy Transistors (HEMT) hergesteilt. Da diese zunächst ohne Steuerspannung Seiten (normai-an), ist ihr Einsatz in leistungselektronischen Geräten kritisch, da es bei Ausfall der Steuerspannung oder beim Ein- und / oder Ausschalten des Geräts zu einem urzschiuss kommen kann. Deshalb werden diese normal-an HEMT teilweise zusammen mit einem Si-MOSFET (normal-aus) als Kaskode verschaltet. Es ist zwar möglich auch HEMTs zu fertigen, die ohne Steuerspannung sperren (normal-aus), Jedoch stellt dies zusätzischen Aufwand bei der Fertigung dar.
Zusammenfassung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement anzugeben, bei der eine einfache und zuverlässige optische Ein- und Ausschaltbarkeit ermöglicht ist. Zur Lösung eine Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement nach dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen. Weiterhin ist die Verwendung der Schaiiungsanordnung nach Anspruch 13 vorgesehen. Alternative Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt ist eine Schaiiungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselekt- ronisches Bauelement geschaffen, weiches ein- und ausschaltbar ist. Bei der Schaiiungsanordnung sind ein fichtempfindliches Schaltungselement sowie eine Leistungshalble ter- Schaltung vorgesehen, die zum Ein- und Ausschalten einem Ausgang des lichtempfindlichen Schaltungselements nachgeschaltef und als eine der folgenden Schaltungen ausgeführt ist: Kaskoden-Schaitung mit zwei in Reihe geschalteten Leistungshaibieiter-Scha!tungsefe- menten und Superkaskoden-Schaltung mit mehr als zwei in Reihe geschalteten Leistungs- haibieiter-Schaltungselementen. Weiterhin ist ein optisches Koppeleiement vorgesehen, welches eingerichtet ist, optische Steuersignale zum Ein- und Ausschalten zu empfangen und an das lichtempfindliche Schaltungselement zu geben. Die Schaiiungsanordnung kann in einer der foigenden elektrischen Vorrichtungen eingesetzt werden: seibstgeführte Stromrichter, Gieichstromsteiler, Gleichrichter, Wechselrichter, Schalter für Wechselstrosnlast, Schalter für Gleichstromlast und Schalter für Drehstromlast.
Bei den Leistungsha bleiter-Schaltungseiementen kann es sich um Transistoren handeln.
Im Aligemeinen sind Leistungshaib!eiter Halbleiterbauelemente {leistungselektronische Bauelemente), die in der Leistungselektronik für das Steuern und das Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind. In Verbindung mit dem optisch steuerbaren, leisiungselektronischen Bauelement kann vorgesehen sein, dass dieses als ein Leistungshaibleiter-Gehäuse ausgeführt ist.
Das lichtempfindliche Schaätungseiemeni kann mit einer Fotodiode oder einer Reihenschaltung mehrerer Fotodioden gebildet sein. Das lichtempfindliche Schaltungselement kann bei dieser oder anderen Ausführungsformen mit einem parallel geschalteten Widerstand ausgeführt sein, beispielsweise einem Widerstand parallel zu der einen oder der Reihenschaltung der mehreren Fotodioden. Das lichtempfindliche Scha!tungseiement kann aus einem Halbleitermateria! bestehen, weiches eine Bandlücke aufweist, die größer als die Bandlücke von Silizium ist. Die Fotodioden können aus dem Halbleitermaterial mit der größeren Bandlücke als Silizium ausgebildet sein. Die zwei Leistungshalbleiter-Schaitungselemente der Kaskoden-Schaitung oder die mehreren Leistungshalbieiter-Schalfungseiemente der Superkaskoden-Schaltung können als Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit oder etall-Oxid-Ha!bieiter-Feldeffekttransistoren ( OSFET) ausgeführt sein. Für den Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit wird auch die Abkürzung HEMT (High-Electron-Mobility Transistor) verwendet. Der MOSFET kann ein steuerbares Element der Leistungshalbieiter-Schaltung bilden.
Die Leistungshalbleiter-Schaltungselemente der Kaskoden-Schaitung oder der Superkaskoden-Schaltung können jeweils als ein MOSFET ausgeführt sein. Bei der Kaskoden- Schaitung kann einem der beiden MOSFETs eine Zusatzbescha!tung zugeordnet sein, durch die der MOSFET sich als normal-an Schaltungseiement verhält. Bei der Superkaskoden- Schaltung können alle Leislungshalbleiter-Schaltungsele ente sowohl als MOSFETs als auch als HEMTs ausgebildet sein. Bei der Superkaskoden-Schaltung können den Leisfungs- halbleiter-SchaltungseSementen Schaltungsanordnungen zur Symmetrierung der Sperrspannung zugeordnet sein.
Es kann ein Freilaufschaltungselement vorgesehen sein. Das Freilaufschaltungseiement kann mit der Last parallel geschaltet und eingerichtet ist, beim Ausschalten einen Schal- tungspfad für einen Laststrom bereitzustellen. Das Freilaufschaltungselement kann eine Halbleiterdiode sein.
Es kann eine den Leistungshaibieiter-Schaitungselementen zugeordnete Treiberschaltung vorgesehen sein, Die Treiberschaltung kann zwischen dem lichtempfindlichen Schaltungs- elemeni und der Leistungshalbieiter-Schaltung angeordnet sein. Die Treiberschaltung kann aus dem Hauptstromkreis gespeist werden, also dem Stromkreis, welcher von der Leis- tungshalbleiter-Schaitung geschaltet wird. In einer Ausführungsform ist das lichtempfindliche Schaltungseiement aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si).
An das optische Koppelement kann ein optischer Sender koppeln, Bei dieser Ausführungsform kann das lichtempfindliche Schaltungseiement mit Licht von dem optischen Sender be~ aufschlagt werden, um den Schaltprozess zu steuern. Der optische Sender kann mit einer lichtemittierenden Diode gebildet sein. Optischer Sender und lichtempfindliches Schaitungselement können so ausgebildet sein, das zwischen dem optischen Sender und dem lichtempfindlichen Schaltungselement eine lösbare Verbindung vorgesehen sein kann. Das optische Koppelement kann einen Anschiuss für einen Lichtwellenleiter aufweisen. Der optische Sender und das iichtempfindliche Schaitungselement können jeweils einen Anschiuss für einen Lichtweilenleiter aufweisen, der beide optisch miteinander verbindet.
Es kann ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement vorgesehen sein, in weichem das lichtempfindliche Schaltungselement und ein Transistor der Kaskode- Schaltung oder der Superkaskoden-Schaliung, für den ein Gate-Potential von dem lichtempfindlichen Schaitungselement erzeugt wird, auf einem gemeinsamen Leistungsha!bleiter- Chip ausgeführt sind. Es kann ein optisch steuerbares, leistungseiektronisches Bauelement vorgesehen sein, in welchem das lichtempfindliche Schaitungselement, eine Verstärkerstufe sowie ein Transistor der Kaskode-Schaltung oder der Superkaskoden-Schaitung, für den ein Gate-Potential von der Verstärkerstufe erzeugt wird, auf einem gemeinsamen Leistungshaibfeiter-Chip ausgeführt sind.
Die Schaitungsanordnung kann auf einem gemeinsamen Haibleiterchip ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass bei der Ausführungsform mit Treiberschaltung auch diese in demselben Halbieiierchip oder in dem gemeinsamen Bauelementgehäuse angeordnet ist. Der gemeinsame Leistungshalbleiter-Chip kann mit mindestens einem weiteren Leistungs- halbleiter-Chip in einem gemeinsamen Chipgehäuse verschaltet sein.
Das in den verschiedenen Ausführungsformen vorgesehene optisch steuerbare, ieistungs- elektronische Bauelement ist iichtgesteuert sowohl ein- wie auch ausschaltbar.
Bei dem Leistungshalbleiter-Schalfungselement, welches beispielsweise als Metall-Oxid- Feldeffekt-Transistor ausgeführt ist und das an das lichtempfindliche Schaitungselement anschließt, beispielsweise ein Schaitungselement TO, kann mittels einem sogenannten CLAMP die Sperrspannung begrenzt sein. Bei der Ausführungsform mit Treiberschaltung kann eines der Leistungshalbleiter-Schaltungselemente, insbesondere ein Transistor T1 , welches als norma!-aus Halbleiterbauelement realisiert ist, seine Gate-Vorspannung aus einer Versorgungsspannung der Treiberschaltung erhalten, um sich wie ein normal-an Haibieiterbauelement zu verhalten.
In Verbindung mit der vorangehend erläuterten Technologie können ein oder mehrere der folgenden Aspekte vorgesehen sein. ach einem Aspekt ist eine Anordnung für ein Ieistungselektronisches Bauelement, welches nach einer der obigen Ausführungen ausgestaltet ist, geschaffen. Die Anordnung weist ein Gehäuse sowie eine Leistungshalbleiter-Schaltung auf. Die Leistungshalbleiter-Schaltung ist mit Leistungshalbleifern gebildet und in dem Gehäuse angeordnet. Mit den Leistungshalbleitern sind zwischen Schaltungsanschiüssen der Leistungshalbleiter-Schaltung parallel geschaltete Reihenschaltungen gebildet. Hierdurch sind für die Leistungshalbieiter-Schaltung folgende Schaltungsparameter skalierbar: eine Beiriebsfunktion mittels eines optisch ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleiters in den paraSiel geschalteten Reihenschaltungen; eine Spannungsfestigkeit mittels wenigstens eines jeweiligen spannungs-bestimmenden Leistungshaibleiters in den parallel geschalteten Reihenschaltungen, weicher in den jeweiligen Reihenschaltungen mit dem funktsonsbestimmenden Leistungshalbleiter in Reihe ge- schaltet ist; und eine Stromfestigkeit mitteis der Anzahl der parallel geschalteten Reihenschaltungen.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Modulgehäuse für ein leistungselektronisches Bauelement mit einer solchen Anordnung geschaffen.
Die Spannungsfestigkeit der Leistungshalbieiter-Schaltung gibt eine maximale Sperrspannung für die Leistungshalbieiter-Schaltung an. Mittels des optisch ein- und ausschaitbaren Leistungshaibleiters kann die Steuerbarkeit des leistungseiektronischen Bauelements bestimmt werden.
Es kann ein Modulgehäuse gebildet sein, bei dem die Leistungshalbieiter-Schaltung auf einem Isoliersubstrat angeordnet ist, welches an dem Gehäuse innenseitig angeordnet ist. Das Isoliersubstrat kann ein Keramiksubstrat sein. Das Isoliersubstrat mit der hierauf gebildeten Leistungshalbieiter-Schaltung kann im Inneren des Gehäuses auf der Bodenplatte des Ge- häuses angeordnet sein. Es kann eine Scheibenzeile gebildet sein bei der die Leistungshalbleiter-Schaitung innensei- tig angeordnet ist und mit den Hauptanschlüssen D und S mit den Kontakten der Scheibenzelle elektrisch verbunden ist. Bei beiden Gehäusevarianten kann eine Einführung für einen Lichtweiienleiter vorgesehen werden, zum Beispiel seitlich, um die optische Ansteuerung zu ermöglichen.
Es kann eine Scheibenanordnung gebildet sein, die eine Scbeibenzelle aufweist, bei der in einem jeweiligen Stapel zumindest eines Teils der parallel geschalteten Reihenschaltungen eine Waferscheibe mit dem optisch ein- und ausschaitbaren Leistungshalbleiter und eine weitere Waferscheibe mit dem spannungsbestimmenden Leistungshaibleiter gestapelt und Anschlüsse der Waferscheibe mit Anschlüssen der weiteren Waferscheibe verbunden sind. Hierbei können die Waferscheibe mit dem optisch ein- und ausschaltbaren Leistungshaibleiter und die Waferscheiben mit dem spannungsbestimmenden Leistungshaibleiter aus dem gleichen Halbleitermaterial oder aus unterschiedlichen Haibieitermaterialien bestehen. Die Waferscheibe kann mehrere spannungsbestimmende Leistungshaibleiter aufweisen. Mehrere Waferscheiben mit einem jeweiligen spannungsbestimmenden Leistungshaibiester können vorgesehen sein. Mit der Scheibenanordnung kann eine gemeinsame Scheibenzelle für die Waferscheiben gebildet sein. Bei der Montage mehrerer Scheibenanordnungen (Scheiben- zellen) kann ein gemeinsamer Spannverbund hergestellt werden. Bei einer Ausführung entsteht die Skalierbarkeit hinsichtlich der Spannungsfestigkeit über die Anzahl von gestapelten und hierdurch in Reihe geschalteten Scheibenanordnungen. Bei der Scheibenzelle können die für eine Superkaskode benutzten Steueranschlüsse auf einer Ober- und einer Unterseite herausgeführt sein, so dass beim Stapeln mehrerer Scheibenzellen die Reihenschaltungen von selbst kontaktiert werden. Hierbei kann eine Kühldose zur Kühlung der Superkaskode vorgesehen sein, bei der die Steueranschlüsse durchkontaktiert werden.
Zwischen der Waferscheibe und der weiteren Waferscheibe kann eine elektrisch leitende Zwischenschicht angeordnet sein.
Mit den Leistungshalbieitern können bei parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils ein spannungs-symmetrierendes Schaitungselement gebildet sein.
Insbesondere beim Vorsehen von mehreren spannungsbestimmenden Leistungshalbieitern in einer Reihenschaltung kann zu den mehreren spannungsbestimmenden Leistungshalblei- lern in den parallel geschalteten Reähenschaitungen jeweils ein spannungs-symmetnerendes Schaltungselement gebildet sein. Das spannungs-symmetrierende Schaltungselement kann für eine definierte Aufteilung der Sperrspannung auf die einzelnen spannungsbestimmenden Leistungshaibleiter einer Reihenschaltung sorgen.
Das spannungs-symmetrierende Schaltungselement kann mit dem spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter in einer Waferscheibe angeordnet sein.
Die parallel geschalteten Reihenschaltungen können jeweils mehrere (beispielsweise we~ nigstens zwei) spannungsbestimmende und zueinander in Reihe geschaltete Leistungshaibleiter aufweisen, welche mit dem funktionsbestimmenden Leistungshaibleiter in Reihe geschaltet sind.
Die Leistungshaibleiter» insbesondere die Fotodiode und TO, können aus Silizium oder der folgenden Gruppe von„wide bandgap semiconductor" Halbleitermateriaiien bestehen: Siiizi- um-Carbid, Gallium-Nitrid, GaSüum-Arsenid, Gallium-Oxid, Diamant, AiuminiumgaHiumindi- urnnitrid und Aluminium-Nitrid.
Es können mehrere Scheibenzellen gestapelt, wobei zwischen benachbarten Scheibenzeüen eine Kühldose angeordnet ist, bei der Anschlüsse zu gegenüberlegenden Flachseiten der Kühidose herausgeführt sind, insbesondere ein Hauptanschiuss und zumindest ein gegen den Hauptanschiuss elektrisch isolierter Steueranschluss.
Nach einem anderen Aspekt kann eine Kühldose vorgesehen sein, die in einem Kühldosen- körper Schäauchanschlüsse aufweist, welche mit Kühlfluidkanäien im Kühldosenkörper in Verbindung stehen. Durch die Kühldose hindurch kann eine Durchkontaktierung hergestellt sein, die von einer elektrischen Isolierung umgeben ist. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Steueranschluss durch den Kühldosenkörper hindurch geführt werden, derart, dass Kontakte der Durchkontaktierung auf gegenüberliegenden Flachseiten des Kühldosenkörpers angeordnet sein können. Alternativ oder ergänzend können auf den Fiachseiten Kontakte für einen oder mehrere Hauptanschlüsse angeordnet sein.
Unter Verwendung einer oder mehrerer Kühldosen kann in einer Ausgestaltung eine gestapelte Anordnung gebildet werden, bei der die Kühldosen zwischen Scheibenzeilen angeord- net sind, derart, dass die Steueranschlüsse sowie Hauptanschlüsse jeweils durch den Kühl- dosenkörper hindurchgeführt sind. Die Steueranschlüsse sind elektrisch isoliert durchverbunden. Die Anschlüsse können beim Stapein dann mit zugeordneten Änschiüssen der Scheibenzellen verbunden werden, die auch auf einer Flachseite gebildet sind. Die Scheibenzellen im Stapel können eine Scheibenzelle mit einem funktionsbestimmenden Halbleiter sowie weitere Scbeibenzeiien mit parailei geschalteten spannungsbestimmenden Leistungshalbleitern aufweisen.
Beschreibung von Ausführunasbeispielen
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispieie unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Superkaskoden-Schaitung;
Fig. 3 eine schematiscne Darstellung der Schaitungsanordnung aus Fig. 1 , wobei ein Diodengleichrichter als Schalter für ecbselspannungs- oder Drehstromiasten angeschlossen ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung, wobei eine Treiberschaltung integriert ist, die aus einem Lastkreis mit Energie versorgt wird, die Spannung über TO begrenzt („geclampt") wird und für die verschiedene Möglichkeiten der optischen Ansteuerung gezeigt sind;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung, wobei eine Treiberschaltung integriert ist;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anderen Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung, wobei eine Treiberschaltung dargestellt ist und über eine gepunktet dargestellte Verbindung des Gates von T1 nach X eine Ausführung für einen Leistungshaibleiter T1 mit normal-aus Verhalten gezeigt wird;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung mit einem normal-aus Transistor TO und mehreren parallel geschalteten normal-an Transistoren T1a bis Tin, wodurch die Stromtragfähigkeit erhöht oder skaliert werden kann; Fig. 8 eine grafische Darstellung für das Ein- und Ausschaltverhalten einer Schaitungsan- ordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung nach Fig. 1 an 300V bei 1 ,9A und
Fig. 9 eine grafische Darstellung für das Ein- und Ausschaltverhalten eines optisch steuer- baren, leistungseiektronischen Bauelements mit einer zweistufigen Superkaskoden-
Schaltung nach Fig. 2 an 450V bei 1 ,3 A. im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 Ausführungsformen für eine Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement sowie ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement beschrieben. Die Schaitungs- anordnung kann beispielweise mit einer Kaskoden-Schaitung oder einer Superkaskoden- Schaitung gebildet sein.
Die Änsteuerung mittels optischer Signale kann mit einer durch einen Lichtwe!lenieiter (LWL) beleuchteten Fotodiode DE realisiert werden. Diese soii bei Beleuchtung einen Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor TO {MOSFET TO) aufsteuern (vgl. Fig. 1 ff . } , indem sie diesem eine Gateladung zuführt. Die Spannung einer Silizium- (Si-) Fotodiode ist gering, weshalb eine Reihenschaltung von Fotodioden vorgesehen sein kann, um die Gate-Source- Threshholdspannung UGsTh des MOSFET TO zu überschreiten. Alternativ kann die Fotodiode DE aus einem Halbieitermaterial mit höherem Bandabstand (sogenannte„wide bandgap se~ miconductors"), insbesondere einem höheren Bandabstand (Bandlücke) als Si, wie Silizium- Carbid (SIC) oder einem ili-V-Verbindungshaibleiter, zum Beispie! Gaiiium-Niirid (GaN), benutzt werden. Durch den höheren Bandabstand dieser Werkstoffe ist die Spannung einer Fotodiode aus solchen Werkstoffen höher als bei Si. Dennoch kann ein MOSFET mit gerin- gern Ucs-m benutzt werden.
Die Kennlinie einer Fotodiode zeigt üblicherweise eine Leerlaufspannung U0, die vom verwendeten Halbleitermaterial bestimmt wird und nur wenig von der Beleuchtungsstärke abhängt. Der Kurzschiussstrom IK hingegen wird maßgeblich von der Beleuchtungsstärke und der Effizienz der Fotodiode bestimmt.
In der UGs ~ fo-Kennlinie kann die Übertragungssteilheit g^ („iransconductance") des tvlöS- FETs abgelesen werden. Hierdurch ergibt sich eine minimale Gate-Source-Spannung UGson zum Einschalten der Kaskode (vgl. insbesondere Fig. 1). Die Leerlaufspannung der Fotodio- de ist mindestens ebenso groß, weshalb eine Fotodiode aus einem„wide bandgap serni- conductor" vorgesehen ist. Eine Reihenschaltung von Si-Fotodioden kann alternativ vorgesehen sein, kann jedoch die Ankoppiung eines Lichtweflenieiters erschweren.
g ::: .. . iL., damit U0 > UGSo„ > UGSTh +
os gFs
Der Kurzschlussstrom !K der Fotodiode D£ zusammen mit dem Widerstand RG und der Gateladung QG des MOSFETs TO ist maßgeblich für das Schaitverhalten des MOSFETs TO
Nachfolgend werden weitere Aspekte zum MOSFET TO erläutert.
Die Ansteuerung des EvföSFETs würde jedoch mit einer geringen Ladung erfolgen. Deshaib gilt es eine Möglichkeit zu finden, wie bei gegebener Sperrspannung mit einer geringen Ladung ein möglichst geringer Durchiasswiderstand des Bauelementes erreicht werden kann. Der Kanaiwiderstand Rc,h eines OSFETS im eingeschalteten Zustand ist von den geometrischen Parametern Kanaüänge L und Kanalweite W und daneben von der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und der Kanaliadung Q abhängig;
Figure imgf000012_0001
Da die Fläche des HaibieitermateriaSs entweder für die Kanaüänge L oder die Kanalweite W genutzt werden kann sind bei gegebener Chipfiäche und Strukturbreiie beide Parameter umgekehrt proportional womit der Kanaiwiderstand quadratisch von der Kanaüänge L abhängt:
W ~— damit R.r.
L μ
Die zur Aufnahme einer bestimmten Sperrspannung notwendige Kanaüänge wird
2 * U ■J DSS damit wird Rrl
knt worin UDss eise niax. Sperrspannung des Kanals und Ekm die Durchschlagsfeldstärke des Haibfeiterwerkstcsffes sind.
Unabhängig vom Halbieitermaterial wird also der Kanalwiderstand bei gegebener Kanalia- dung Q umso kleiner je geringer die Sperrspannung UDss ist. Dieser Kanalwiderstand ist (unabhängig vom Halblesterwerkstoff) sogar quadratisch von der Sperrspannung abhängig.
Darin liegt ein Aspekt, dass nämlich der von der Fotodiode D£ aufgesteuerte MOSFET TO nur eine Sperrspannung in der Höhe des Betrages der Gate-Source-Thresholdspannung des seibstieiienden HESvITs T1 aufweisen muss, die üblicherweise bei etwa 3 bis 5 V liegt. Wenn also der MOSFET TO nur für zum Beispie! 10 V ausgelegt wird und die Kaskode eine Sperrspannung von beispielsweise 300 V haben soll, ergäbe sich ein um den Faktor
ÄL = 0.001 i « io-3
(300 )2 geringerer Widerstand des Kanals bei gleicher Gateiadung ais es bei einem MOSFET von 300 V Sperrspannung der Fall wäre. Die Kaskode ist aiso besonders geeignet, um ein höhersperrendes Leistungshalbleiterbaueiement zu schaffen, welches mit einer geringen Ladung Q gesteuert werden kann. Um zu noch höheren Sperrspannungen zu gelangen, kann die Kaskode zur Superkaskode erweitert werden. Eine deutliche Verbesserung ist auch zu erwarten, wenn der hier benutzte Si-MOSFET TO durch einen iadungsgesteuerten Leis- tungshalbleiter aus GaN (zum Beispiel einen normal-aus HEMT) oder SIC (zum Beispiel einen MOSFET) ersetzt wird, dessen Sperrspannung nur einen Bruchteil der Sperrspannung der gesamten Kaskode bzw. Superkaskode beträgt.
Einige Parameter für beispielhaft nutzbare Halbleiterwerkstoffe sind in folgender Tabelle angegeben.
| Haibleiterwerkstoff Si ~|GäN 1 SiC
Bandabstand [eV] 1 , 12 | 3]4 3,28
Durchbruchfeldstärke [kV / cm] 300 33ÖÖ 2200
ElekTronenbewegiicbkei μη cm2 Vsj 1500 ! 950
Dielektrizitätskonstante εΓ [1] 11 ,9 ; 9 1 1 11
i Es kann vorgesehen sein, den MOSFET TO nicht aus Si, sondern (als selbstsperrendes, normai-aus) GaN- (oder SiC~) -Bauelement zu realisieren, da GaN gegenüber Si bei gleicher ESektronenbewegiichkeit μη eine elfmal höhere Durchbruchsfeldstärke Ekrit aufweist. Damit ließe sich ein am den Faktor 1 1 * 11 = 121 geringeres Produkt aus Durchlasswiderstand und Gateladung erzielen, d.h. für den gleichen Durch!asswiderstand (bei gleicher Sperrspannung) wäre nur die 1 / 121 - 0,0083-fache Gateladung erforderlich, was sowohl die Schaltgeschwindigkeit als auch den schaltbaren Laststrom drastisch erhöhen würde. Mit dem GaN- HEMT, einer GaN-Fotodiode und dem Widerstand RG wären alle Elemente aus demselben Haibleiterwerkstoff, was eine Ausführung auf einem gemeinsamen Chip begünstigt. Es sind Kaskoden bekannt, bei denen beide Halbleiter, TO und T1 , jedoch ohne Ansteuerung auf einem gemeinsamen Chip aus einem "wide bandgap semiconductor integriert sind. Somit sind alle Elemente der iichtgesteuerten Kaskode auf einem Chip realisierbar.
Auch bei Verwendung eines Si-MöSFETs könnten die Fotodiode und der HE T aus dem- selben Werkstoff und wahlweise auf demselben Chip realisiert werden. Eine Ausführung der Fotodiode aus einem Halbleitermater ai mit höherem Bandabstand führt zu einer höheren Steuerspannung ÜGSO ais es bei einer Si-Fotodiode der Fall wäre. Dies erlaubt eine größere Freiheit bei der Gate-Source-Threshoid-Spannung der MOSFETs. Da hierdurch eine bei Si- Fotodioden ggf. erforderliche Reihenschaltung derselben vermieden werden kann, wird die Ankopplung eines Lichtweüenieiters zur Ansteuerung erheblich vereinfacht.
Durch die Rückwärtsleitfähigkeit einer solchen Kaskode würde sie bei der Anwendung in spannungsgespeisten Umrichtern zugleich die Funktion der Freilaufdiode erfüllen. Nachfolgend werden die Aspekte Kaskode und Superkaskode weiter erläutert.
Die Kaskode ist als solche ebenso bekannt wie die Superkaskode. Vorteilhaft ist hierbei, dass das steuerbare Element, also der MOSFET TO in Fig. 1 , in seinem Sperrvermögen auf die Gate-Source-Spannung des normai-an HEMTs T1 beschränkt ist (vgl. Fig. 2).
Da wie oben ausgeführt der Roson bei kleiner Sperrspannung sehr geringe Werte erreicht, kann es sinnvoll sein, eine Kaskode bzw. Superkaskode bestehend aus einem lichtgesteuerten normai-aus MOSFET TO und mehreren, zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit parallel geschalteten, normal-an HEMTs T1a bis Tin aufzubauen (vgl. Fig. 7). Sollte die Sperrspannung von T1 nicht reichen, kann stattdessen eine Superkaskode aufgebaut werden, bei der so viele HEMTs in Reihe geschaltet werden, wie es für die Sperrspannung erforderlich ist (vgl. Fig. 2). Damit sind die Steuerseite und der MOSFET TO unabhängig von der gesamten Sperrspannung. Darüber hinaus ist bei der Herstellung des HEMTs kein Zusatzaufwand nötig, der zur Erreichung eines normai-aus-Verhaltens gebraucht wird Nachfolgend werden weitere Aspekte zur Steuerung der erforderlichen Ladung und Leistung erläutert.
Der für die Versuche mit der Kaskode verwendete Si-MOSFET T1 (bzw. T1 und T2 bei der Superkaskode), der durch eine zusätzliche Spannung in der Gateleitung zum normal-an- Verhalten gebracht wird, hat einen RDs0n - 4,4 Ω. Der Si-MOSFET TO, hat einen RDs0n = 85 ΓΠΩ, eine Gateiadung von QT = 3,5 nC bei einer Gate-Source Threshoid- Spannung von Gs(th) ™ 1 V (max). Hieraus resultiert ein Gesamtwiderstand R askode_on der Kaskode im eingeschalteten Zustand und eine zum Einschalten erforderliche Treiberenergie WTr_0n von
- 4,4Ω + 85mO - 4,5Ω WTr on_Kaskode = 35nC * IV - 3,5nJ
Würde der Gesamtwiderstand der Kaskode durch Verwendung von Halbleitern für T1 (bzw. T1 und T2 bei einer Superkaskode) mit geringerem Durchlasswiderstand reduziert, würde die Treiberleistung davon nicht erhöht. Für den 600 V Si-MOSFET alleine ergeben sich sinngemäß
1 RKaskode_on 4 4Ω W vr Tr _on_Si 11 nC * 4Vy - 1 ' Δ2nϋJ also eine mehr als 20-mal höhere Treiberenergie bzw. Treiberleistung.
Für einen 650 V GaN-Leistungs albieiter mit normal-aus Verhalten, werden eine Gateladung von QG = 3 nC bei einer Gate-Source Threshoid-Spannung von VGs(th> = 1 ,3 V (max) ange- geben. Daraus ergeben sich
WTr on GaV = 3 iC*l,3K = W Die zum Beirieb der askode erforderliche Treiberieistung liegt also auf dem Niveau eines normal-aus GaN- Leistungshalbleiters, jedoch ohne das es erforderlich ist, dem an sich selbstleitenden HEIvIT T1 , der die Sperrspannung der Kaskode bestimmt, erst ein normal- aus-Verhaiien einzuprägen. Hierdurch kann die erforderliche Gateladung bzw. Treiberener- gie von einer Fotodiode erbracht (lichtgesteuerte Kaskode bzw. Superkaskode) bzw. die Treiberstufe aus dem Hauptstromkreis heraus versorgt werden.
Für die Schaltungsanordnung mit einer lichtgesteuerten Kaskode (vgl. Fig. 1 ) werden nachfolgend experimentelle Untersuchungen erläutert. Es ist damit die Funktionsweise einer lichtgesteuerten Kaskode nachgewiesen.
Da keine geeignete Fotodiode aus einem wide-bandgap-Halbleiter kommerziell erhältlich war wurde stattdessen eine blaue LED (Iichtemittierende Diode) als Fotodiode benutzt. Die Farbe der LED steht in engem Zusammenhang zum Bandabstand des verwendeten Haibieiterma- terials, für blaue LEDs ist ein hoher Bandabstand nötig. Leuchtdioden weisen im Betrieb als Fotodiode nur einen sehr geringen Kurzschlussstrom und eine hohe Sperrschichtkapazität auf was zu hohen Schaltzeiten führt. Durch Verwendung einer geeigneten Fotodiode aus z.B. GaN könnte das Schaltverhalten der iichtgesteuerten Kaskode bzw, Superkaskode deutlich beschleunigt und damit verbessert werden. Anstelle eines normal-an GaN-HEMT wird für T1 versuchsweise ein normal-aus Si-MÖSFET mittels einer zusätzlichen Vorspannung am Gate zu einem normal-an-Verhalten gebracht. Der MOSFET TO wird durch einen Si~ OSFET realisiert. Würde stattdessen einer aus GaN benutzt, könnte mit der gleichen Gate- Ladung ein 1 12 = 121 mal geringerer Roson erreicht werden. Ein Widerstand parallel zu TO soll verhindern, dass der Sperrstrom von T1 den MOSFET TO in den Durchbruch treibt. Die gleiche Funktion erfüllt die Diode DC!amp in Fig. 4. Es wurden für Sender- und Empfänger- LEDs Dioden desselben Typs, damit aus demselben Halbieiferwerkstoff, benutzt und so aufeinander montiert das die Sendediode direkt in die Empfängerdiode leuchtet.
Der Lastwiderstand RL33t war 150 Ω. Bei der benutzten GS-Spannung (GS - Gleichspan- nung) von 300V ergeben sich ein Laststrom iL3Si nd eine Leistung PLasi in der Last von
300V
- 2A damit f> = 300F * 2A = 60W ,
150Ω Last die optisch ein- und wieder ausgeschaltet werden konnten. Die Messung des Laststromes iLast erfolgte mit einem Shunt, der den Laststrom mit einem Maßstab von 40 mV / A abbildet. Bei 20 mV / Division sind dies im Osziiiogramm also 0,5 Ä / Division. Die Diode Dp {siehe Fig. 5) ist die Freilaufdiode des Schalters die einen Pfad für den Laststrom nach dem Abschalten bietet.
Fig. 8 zeigt eine grafische Darstellung für das Ein- Lind Ausschalten der Iichtgesteuerten Kaskode an 300 V bei 1 ,9 A Die sich ergebenden Schaltzeiten sind eher iangsam (Zeitachse 40 3 / Division). Dies ist dem Ersatz der Fotodiode, zum Beispiel einer GaN-Fotodiode, durch eine blaue LED geschuldet. Bei kleinerer Kapazität und höherem Kurzschiussstrom einer„echten" wide band- gap" Fotodiode oder einer aus dem Hauptkreis gespeisten Treiberstufe wäre die Aufladung beim Einschalten schneller, und es könnte ein kleinerer Widerstand RG benutzt werden, der das Abschalten beschleunigen würde (s.o.).
Für die Schaltungsanordnung mit einer Iichtgesteuerten Superkaskode (vgl. Fig. 2) werden nachfolgend experimentelle Untersuchungen erläutert.
Es ist damit die Funktionsweise einer Iichtgesteuerten Superkaskode nachgewiesen. Ein Widerstand parallel zu TO soll verhindern, dass der Sperrstrom von T1 den MOSFET TO in den Durchbruch treibt. Die gleiche Funktion erfüllt die Diode Dciamo in Fig. 4.
Der Lastwiderstand RLast war 340 Ω. Bei einer GS-Spannung von 450 V ergeben sich ein Laststrom k3st und eine Leistung PLgsS in der Last von
450
— - 1,32.4 damit Plc l ···-·. 450 * 1,32 A 0,6kW■
340Ω Lasi die optisch ein- und wieder ausgeschaltet werden konnten. Die Spannungsaufteilung innerhalb der Superkaskode nach Fig. 2 erfolgt durch die Suppres- sor- oder Zener-Dioden Όζ, Deren Durebbruchspannung bestimmt die Spannungsaufteiiung zwischen T1 und T2. Die beiden normai-an Leistungs-MGSFET T1 und T2 wurden durch normai-aus MOSFETs ersetzt die durch zwei Hüfsspannungsqueilen zwischen Gate und Source zu einem normalen Verhalten gebracht wurden. Würden statt dessen die eigentiich vorgesehenen GaN~ HEMTs mit normal-an Verbaten benutzt wären diese Hüfsspannungsqueilen nicht erforder- lieh.
Die Messung des Laststromes L3s; erfolgte mit einem Shunt der den Laststrom mit einem Maßstab von 40 mV / A abbildet. Bei 20 mV / Division sind dies im Oszilfogramm (vgl. Fig. 8) also 0,5 Ä / Division. Die Freilaufdiode des Schalters, die einen Pfad für den Laststrom nach dem Abschalten bietet, wird durch eine Diode DF gebildet.
Fig. 9 zeigt eine grafische Darstellung für das Ein- und Ausschalten der Superkaskode an 450 V bei 1 ,3 A. Auch hier sind die Schaltzeiten eher langsam. Dies hat dieselben Ursachen wie bei der Sicht- gesteuerten Kaskode (vgl. Fig. 6 und obige Erläuterungen).
Fig. 4 und 5 zeigen eine schematische Darstellung einer Schaitungsanordnung für ein optisch steuerbares, ieistungseiektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaitung, wobei eine Treiberschaltung integriert ist.
Die Treiberstufe wird aus dem Hauptstromkreis versorgt. Die Leistungsaufnahme einer Treiberstufe für eine Kaskode oder Superkaskode kann gering ausfallen, da nur der MOSFET TO mit seiner sehr geringen Sperrfähigkeit angesteuert werden muss und die dazu erforderlich Gate-Ladung sehr gering ist (vgl. obige Berechnungen für die verschiedenen Energien WTr_0n)- Deshalb kann bei einer Kaskode oder Superkaskode vorteilhaft eine Treiberstufe mit der in Fig. 5 gestrichelt umrandeten Versorgung aus dem Hauptstromkreis und der ebenfalls umrandeten Verstärkerstufe in einem Gehäuse integriert ausgeführt werden.
Da die Empfängerdiode DE hierbei weder die Gateiadung bereitstellen muss noch hinsichtlich der von ihr generierten Spannung dem MOSFET TO angepasst werden muss, kann diese Empfängerdiode auch auf eine sehr viel schnellere Schaltzeit ausgelegt werden. Ebenso ist die Verwendung eines Fototransistors möglich, da die zum Schalten von TO erforderliche Gate-Energie nicht über die optische Strecke übertragen werden muss, wenn danach eine Verstärkerstufe zur Verfügung steht. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen SchaStungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement mit einer Kaskoden-Schaltung, wobei eine Treiberschaltung integriert ist. Die Treiberstufe wird aus dem Hauptstromkreis versorgt und über Dc;amp Sperrspannung von TO auf max. U2 begrenzt (clampt). Wird die Potentialtrennung durch einen Optokoppler mit„open-collector" realisiert, kann mit einem nachfolgenden !nverter und einer Gegen- taktendstufe TO angesteuert werden (vgl. Fig. 6). Da, wie oben erläutert, die erforderliche Treiberleistung gering ist, kann diese Treiberstufe, die auch zusammen mit dem Optokoppler, einer Zener-Diode zum stabilisieren von Uz und TO auf einem gemeinsamen Chip integriert werden kann, über Dsup und Rsu aus dem Haupt- strornkreis versorgt werden. Vorteilhaft bei dieser Anwendung ist, dass über Dciamp die Sperrspannung über TO auf den Wert Uz, der durch die Zener-Diode stabilisiert wird, begrenzt (gec!ampt) wird. Dies betrifft sowohl die statische Sperrspannung, die von den Sperrströmen der Halbierter TO und T1 bestimmt wird, als auch die dynamische Spannung, die beim Schalten von den parasitären Kapazitäten von TO und T1 bestimmt wird. Die hierbei anfallende Energie steht zum Betrieb der Treiberstufe zur Verfügung, wodurch der erforderliche Strom über DSLip und Rsup kleiner ausfallen kann. Durch dieses„clampen" der Sperrspannung von TO ist dessen erforderliche Sperrspannung besser definiert, was es erlaubt, für TO einen Halbleiter geringerer Sperrspannung zu verwenden, als wenn dafür noch eine Sicherheitsreserve berücksichtigt werden muss. Dies reduziert, wie oben erläutert, sowohl die erforderliche Gateladung als auch den bei gleicher Chipfläche möglichen RDson. Bei der oben erläuterten Ausführungsform könnten alle Elemente ggf. mit Ausnahme von T1 , Dsup und Csup auf einem gemeinsamen Chip, zum Beispiel aus Silizium, SIC oder GaN, realisiert werden. T1 und Dsup müssen einer höheren Sperrspannung standhalten, und T1 kann aus„wide bandgap" Werkstoffen realisiert werden, zum Beispiel GaN. Csl,P kann in konventioneller Weise, zum Beispiel als Keramik- oder Foiienkondensator, realisiert werden da die Ausführung von Kondensatoren als Chip sehr flächenintensiv und damit teuer ist.
Sollte für T1 ein Halbleiter benutzt werden, der ein normai-aus-Verhalten hat, zum Beispiel ein Si-MOSFET, kann seine Gate-Vorspannung ebenfalls aus der Versorgungsspannung Uz der Treiberstufe gewonnen werden. Dazu wird sein Gate nicht an Source, sondern (wie ge- strichelt gezeigt) an den mit„x" gekennzeichneten Knoten angeschlossen (vgl. Fig. 6). Daraus ergeben sich folgende Aspekte:
- Die Anwendung einer aus dem Hauptstromkreis gespeisten Treiberstufe einer Kaskode oder Superkaskode wird durch diese geringe Treiberieistung erst sinnvoll.
- Zusammenfassen der Treiberstufe mit ihrer optischen Schnittstelle.
~ Die Integration dieser Treiberstufe mit der optischen Schnittstelle in das Gehäuse des Leistungsbalbleiters, dies kann sowohl ein Modulgehäuse als auch eine Scheibenzelle sein.
- Durch die Gewinnung einer Gate-Vorspannung kann diese Treiberstufe auch für Leis- tungshalbleiter mit normal-aus-Verhaiten, zum Beispiel Si- OSFETs oder IGBTs, angewendet werden.
Es wurden die Funktionsfähigkeit und die Funktionsweise für eine Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungseiektronisches Bauelement sowie ein optisch steuerbares, leistungseiektronisches Bauelement erläutert. DE, RG und TO, wahlweise auch T1 , können aus demselben Halbleiter-Werkstoff auf demselben Chip realisiert werden. Die Ergänzung zur Superkaskode kann durch mehrere Chips in einem gemeinsamen Gehäuse realisiert werden, ähnlich wie es bei ModuSgehäusen, bei denen mehrere IGBT-Chips und mehrere Dioden-Chips auf einem Keramiksubstrat im selben Gehäuse verbaut werden, an sich be- kannt ist.
Wenn eine Fotodiode mit möglichst hohem Kurzschlussstrom bei möglichst geringer Sperrschichtkapazität gefertigt wird, ergeben sich zusammen mit einer optimierten Sendediode und verbesserter mechanischer Anordnung des LWL deutlich kürzere Schaltzeiten beim Ein- und Ausschalten als hier gezeigt.
Die Funktionsweise der lichigesteuerten Superkaskode wird demonstriert.
Die Integration einer optischen Schnittsteile mit einer Verstärkerstufe auf einem Chip ist möglich. Durch die gegenüber Leistungshalbleitern mit gleicher Nennspannung und gleichem Nennstrom erheblich reduzierter Ansteuerleistung einer Superkaskode kann solch ein Chip aus dem Hauptstromkreis gespeist und in das Leistungshalbleitergehäuse integriert werden.
Wird eine lichtgesteuerte Kaskode / Superkaskode zusammen mit einer Dioden-Brücke, wie in Fig, 3 gezeigt, ausgeführt, ergibt sich ein leistungseiektronisches- Schalter, der in beiden Richtungen sperren und in beiden Richtungen Strom führen kann und optisch ein- und ausschaltbar ist.
Da durch die optische Ansteuerung über LWL eine Potentialtrennung erfolgt und die Leis- tungshalb!eiter keine Treiberstufe enthalten, die eine potentialfreie Energieversorgung benötigen, ergeben sich in der Praxis erhebliche Vereinfachungen beim Aufbau eines Umrichters. Diese Vorteile führen zur Verwendung von lichtgesteuerten Thyristoren, die jedoch nicht abschaltbar sind. Mit der hier vorgeschlagenen Technologie können solche Vereinfachungen des Aufbaus auch auf selbstgeführte Topologien übernommen werden.
Zusammen mit einer einphasigen Diodenbrücke (B2) oder einer dreiphasigen Diodenbrücke (B6) kann die Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, ieistungselektronisches Bauelement als lichtgesteuerter Schalter für Wechselstrom- (WS-) oder Drehstromlasten (DS) im Stern benutzt werden (vgl. Fig. 3). Die Schaltungsanordnung liegt dann über der Gleichstrom- (GS-) Seite der Brücke und schließt, wenn sie angesteuert wird, diese kurz, womit die Wechselstrom- oder Dreh ström lasten eingeschaltet wird. Drei einzelne Schaltungsanordnungen mit jeweils einer B2 könnten auch eine Drehstromlast im Dreieck ein- und ausschalten. Eine weitere Ausführung ergibt sich, wenn sowohl die Sendediode Ds als auch die lichtgesteuerte Kaskode / Superkaskode bzw. eine Kaskode / Superkaskode mit integrierter Treiberstufe in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Hierdurch wäre eine elektrische Ansteuerung des so ausgeführten leistungselektronischen Bauelementes nötig. Es wäre jedoch die galvanische Trennung zwischen Steuerung und Leistungsteil bereits im leistungs- elektronischen Bauelement gegeben.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
Schaltungsanordnung für ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement, welches ein- und ausschaltbar ist, mit:
- einem lichtempfindlichen Schaltungselement;
~ einer Leistungshalbleiter-Schaltung, die zum Ein- und Ausschalten einem Ausgang des lichtempfindlichen Schaltungselements nachgeschaltet und als eine der folgenden Schaltungen ausgeführt ist
- Kaskoden-Schaltung mit zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter-Schaltungselementen und
- Superkaskoden-Schaltung mit mehr als zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter-Schaltungselementen; und
- einem optischen Koppelelement, welches eingerichtet ist, optische Steuersignale zum Ein- und Ausschalten zu empfangen und an das lichtempfindliche Schaltungselement zu geben.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Schaltungselement mit einer Fotodiode oder einer Reihenschaltung mehrerer Fotodioden gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Schaltungselement aus einem Halbleitermaterial besteht, welches eine Bandlücke aufweist, die größer als die Bandlücke von Silizium ist.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Leistungshalbleiter-Schaltungselemente der Kaskoden-Schaltung oder die mehr als zwei Leistungshalbleiter-Schaltungsetemente der Superkaskoden- Schaltung als ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit und ein Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor ausgeführt sind.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Leistungshalbleiter-Schaltungselemente der Kaskoden-Schaltung oder die mehr als zwei Leistungshalbleiter-Schaltungselemente der Superkaskoden- Schaltung jeweils als ein etall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ausgeführt sind, wobei einem der beiden Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor eine Zusatzbeschaltung zugeordnet ist, mit der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor als normal-an Schaltungselement ausgeführt ist.
6. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freilaufschaltungselement orgesehen ist.
7 Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Leistungshalbleiter-Schaltungselementen zugeordnete Treiberschaltung vorgesehen ist.
8. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das optische Koppelement ein optischer Sender koppelt.
9. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Koppelement einen Anschluss für einen Lichtwellenleiter aufweist. 0. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein optisch steuerbares, (eistungselektronisches Bauelement, in welchem das lichtempfindliche Schaltungselement und ein Transistor der Kaskode-Schaltung oder der Superkaskoden-Schaltung, für den ein Gate-Potential von dem lichtempfindlichen Schaltungselement erzeugt wird, auf einem gemeinsamen Leistungshalbleiter-Chip ausge- führt sind.
11. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement, in welchem das lichtempfindliche Schaltungselement, eine Verstärkerstufe sowie ein Transistor der Kas- kode-Schaltung oder der Superkaskoden-Schaltung, für den ein Gate-Potential von der
Verstärkerstufe erzeugt wird, auf einem gemeinsamen Leistungshalbieiter-Chip ausgeführt sind.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennze chnet, dass der gemeinsame Leistungshalbleiter-Chip mit mindestens einem weiteren Leistungshalbleiter- Chip in einem gemeinsamen Gehäuse verschaltet ist. 13. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche in einer der folgenden elektrischen Vorrichtungen: selbstgeführter Stromrichter, Gleichstromsteller, Gleichrichter, Wechselrichter, Schalter für Wechselstromlast, Schalter für Gleichstromlast und Schalter für Drehstromlast.
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