WO2023280700A1 - Schaltungsanordnung, halbleitermodul, elektrisches system und verfahren zur optischen informationsausgabe mittels eines mosfet - Google Patents

Schaltungsanordnung, halbleitermodul, elektrisches system und verfahren zur optischen informationsausgabe mittels eines mosfet Download PDF

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WO2023280700A1
WO2023280700A1 PCT/EP2022/068243 EP2022068243W WO2023280700A1 WO 2023280700 A1 WO2023280700 A1 WO 2023280700A1 EP 2022068243 W EP2022068243 W EP 2022068243W WO 2023280700 A1 WO2023280700 A1 WO 2023280700A1
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mosfet
output
information
circuit arrangement
gate
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PCT/EP2022/068243
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Inventor
Jonathan WINKLER
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Robert Bosch Gmbh
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    • H04B10/801—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water using optical interconnects, e.g. light coupled isolators, circuit board interconnections
    • H04B10/803—Free space interconnects, e.g. between circuit boards or chips

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement, a semiconductor module, an electrical system and a method for optical information output using a MOSFET.
  • SiC MOSFETs Silicon carbide (SiC) MOSFETs are known from the prior art, which, in contrast to typical silicon (Si) MOSFETs, have a strong dependence on an applied gate-source voltage in passive reverse operation. A resultant effect is also referred to as the body effect and is primarily known in connection with Si-based MOSFETs in integrated circuits.
  • an inverse diode (body diode) of a MOSFET which acts when a substrate of the MOSFET is electrically connected to a source terminal of the MOSFET, becomes conductive when a potential between drain and source is inverted . This causes a flow- and temperature-dependent light emission through this inverse diode.
  • DE102017212856 A1 discloses a device for converting electrical energy and a method for determining the temperature of a semiconductor component by luminescence.
  • a circuit arrangement for optical information output using a MOSFET is proposed.
  • the circuit arrangement has a MOSFET with an optical interface and a gate control circuit.
  • the optical interface of the MOSFET is set up to conduct light, which is generated by an inverse diode (also referred to as "body diode") of the MOSFET, into an area surrounding the MOSFET.
  • an inverse diode also referred to as "body diode”
  • a through hole is provided in a housing of the MOSFET and/or an optical waveguide and/or another light-guiding device such as a transmissive window in the area of the inverse diode.
  • the gate control circuit is, for example, a discrete and/or an integrated analog and/or digital circuit, which is designed, for example, as an ASIC, FPGA, processor, digital signal processor, microcontroller, or the like.
  • the gate control circuit is part of a gate driver circuit of the MOSFET, which is used to set one or more operating points of the MOSFET (e.g. by means of one or more predefined DC voltages).
  • the gate control circuit is formed as a separate circuit from the gate driver circuit.
  • the gate control circuit is set up to receive an input signal which represents information to be output by means of the circuit arrangement, which information can in principle be any type of information. Furthermore, the gate control circuit is set up from the input signal To generate an output signal, which also represents the information to be output and is also suitable for varying a gate-source voltage of the MOSFET in reverse operation of the MOSFET. Reverse operation is achieved by a drain-source voltage of the MOSFET of less than 0 V, which can be achieved by external circuitry of the MOSFET, e.g. B. can be caused by an inductive load.
  • the output signal and the input signal are identical, or that the output signal and the input signal have a linear or non-linear relationship to one another.
  • basically any conversion of the input signal can be used to generate the output signal, as long as the information to be output can be reconstructed from the output signal.
  • the gate control circuit is also configured to vary a gate-source voltage of the MOSFET in reverse operation of the MOSFET based on the output signal to correspondingly vary a light emission of the inverse diode of the MOSFET, thereby outputting the information to be output via the optical Interface of the MOSFET takes place.
  • the variation in the gate-source voltage of the MOSFET caused by the output signal is not fundamentally limited to specific voltage variations in the gate-source voltage.
  • the gate-source voltage is varied exclusively in the negative voltage range.
  • the circuit arrangement according to the invention offers, inter alia, the advantage that the light emission made possible by means of the reverse operation of the MOSFET for a Output of information can be used that are not generated by the MOSFET itself.
  • the latter refers in particular to internal influences on the light emission of the inverse diode due to changes in the junction temperature of the MOSFET.
  • Such MOSFET-internal influences on the light emission of the inverse diode can be reliably separated from the influence of the invention on the light emission of the inverse diode by means of a suitable design of the output signal.
  • a particular advantage of the circuit arrangement according to the invention also results from the fact that the information output proposed here on an optical basis enables galvanic isolation between the circuit arrangement and a component receiving the light emission or the information to be output.
  • the MOSFET is preferably a silicon (Si) MOSFET or a silicon carbide (SiC) MOSFET, without thereby limiting the MOSFET to the above variants.
  • SiC MOSFETs can be used particularly advantageously in the context of the invention, since they can be used to generate a particularly high level of light emission by means of the inverse diode.
  • Exemplary operating point ranges for a SiC MOSFET in the context of the invention can be between -1 V and -8 V, preferably between -2 V and -6 V and particularly preferably in the range of -4 V, without being restricted to these voltage ranges.
  • the information to be output is preferably information generated by the gate control circuit itself and/or a component (eg a separate gate driver, etc.) that is connected to the gate control circuit in terms of information technology.
  • the information to be output is particularly advantageously information generated by a sensor (eg a temperature sensor and/or a current sensor, etc.).
  • the output signal represents an amplitude modulation and/or a frequency modulation and/or a phase modulation and/or a pulse width modulation of the input signal.
  • the information to be transmitted is in a frequency range similar to the influences on the light emission by the MOSFET itself as described above.
  • Modulating the information to be output with a carrier signal that is higher in relation to such a frequency range creates a filter option in a receiver component for the light emission Differentiation of the light emission components that are caused by the information to be output and the light emission components that are caused by internal influences of the MOSFET created.
  • a high-pass filter designed with regard to the modulated output signal is used for this purpose, for example.
  • the proposed modulation can also be used advantageously to improve a signal-to-noise ratio of the information to be output.
  • the variation in the gate-source voltage based on the output signal to cause an asymmetrical variation in the gate-source voltage around a currently used operating point of the MOSFET.
  • This enables, for example, compensation for the influence of a non-linear characteristic in the area of the operating point of the MOSFET and/or the inverse diode, with the aim that essentially identical positive and negative signal amplitudes of the input signal essentially lead to an identical increase or reduction in the amount of light emission by the inverse diode .
  • the varying of the gate-source voltage to bring about alternating switching between a light-emitting state and a non-light-emitting state of the inverse diode of the MOSFET.
  • a semiconductor module in particular a power module, which has a circuit arrangement as described above, the optical interface of the MOSFET being connected to a receiver component of the semiconductor module (e.g. a photodiode arranged in the semiconductor module for use of the information to be output within the semiconductor module itself) is optically coupled and/or wherein the semiconductor module has an optical module interface which is optically coupled to the optical interface of the MOSFET.
  • a receiver component of the semiconductor module e.g. a photodiode arranged in the semiconductor module for use of the information to be output within the semiconductor module itself
  • the semiconductor module has an optical module interface which is optically coupled to the optical interface of the MOSFET.
  • the semiconductor module can in principle include any number of additional components (e.g. additional MOSFETs or components that deviate from them).
  • additional components e.g. additional MOSFETs or components that deviate from them.
  • an electrical system which has a circuit arrangement and/or a semiconductor module as described above.
  • the electrical system is set up to put the MOSFET into reverse operation at least temporarily, in particular repeatedly.
  • reverse operation results, for example, in connection with an inductive load switched by the MOSFET or by a plurality of MOSFETs and/or a different cause for a potential reversal of the drain-source voltage of the MOSFET.
  • the reverse operation of the MOSEFT is preferably automatically recognized by the circuit arrangement, so that the information to be output is only output in a targeted manner in the respective phases of the reverse operation.
  • the electrical system preferably also has a light detector (e.g. a photodiode, a silicon photomultiplier, etc.), the light detector being optically coupled to the optical interface of the MOSFET and/or the optical module interface of the semiconductor module and being set up to receive light emitted by the inverse diode of the MOSFET, to generate a measurement signal from the received light and to provide the measurement signal to the electrical system.
  • the output signal is a modulated representation of the input signal
  • the measurement signal is first fed to a demodulator of the electrical system, for example, in order to demodulate the light signal that is output before further use.
  • any other parts and/or components and/or modules of the electrical system can be used as receivers of the measurement signal of the light detector.
  • the electrical system is, for example, a bridge circuit (e.g. a half bridge, a full bridge, etc.) and/or a drive converter and/or a DC/DC voltage converter and/or an AC/AC voltage converter and/or an inverter and /or a rectifier and/or a switched-mode power supply and/or an on-board network of a vehicle.
  • a bridge circuit e.g. a half bridge, a full bridge, etc.
  • a method for optical information output using a MOSFET of a circuit arrangement is proposed.
  • an input signal which represents information to be output by means of the circuit arrangement, is received by a gate control circuit of the MOSFET of the circuit arrangement.
  • an output signal is generated from the input signal, the output signal likewise representing the information to be output and being additionally suitable for varying a gate-source voltage of the MOSFET in reverse operation of the MOSFET.
  • the gate-source voltage of the MOSFET is varied based on the output signal in reverse operation of the MOSFET in order to vary a light emission of an inverse diode of the MOSFET in a corresponding manner, whereby the information to be output is output via an optical interface of the MOSFET takes place.
  • Figure 1 is a circuit diagram of an embodiment of an inventive
  • FIG. 2 shows a schematic overview of an embodiment of an electrical system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of an embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • the circuit arrangement has a gate driver 80, a gate control circuit 20 and a first MOSFET 10 with an optical interface 12, which is designed here as a SiC MOSFET.
  • the gate driver provides a gate-source voltage UGS which defines an operating point of the first MOSFET 10 .
  • the gate control circuit 20 has a first connection 22 and a second connection 24, via which the gate control circuit 20 is set up to receive an input signal SE, which represents information to be output by means of the circuit arrangement.
  • the input signal SE is determined here by a temperature-dependent resistor 40, which is set up to detect an ambient temperature of the circuit arrangement.
  • the gate control circuit 20 also has an oscillator whose output frequency corresponds to the temperature of the temperature-dependent resistor 40 and which is set up to generate an output signal SA which corresponds to a frequency modulation of the input signal SE.
  • the oscillator uses a Schmitt trigger 100 and an oscillator capacitance 76, with the oscillator capacitance 76 being charged or discharged by an inverted output of the Schmitt trigger 100 via the temperature-dependent resistor 40.
  • the output of the oscillator controls a discharge circuit consisting of a third MOSFET 72 (n-channel MOSFET) and a third MOSFET 74 (n-channel MOSFET), which is set up to connect the gate of the first MOSFET 10 with respect to a source connection of the first MOSFET 10 to vary a negative blocking voltage of MOSFET 10 applied by gate driver 80 .
  • the third MOSFET 72 and the fourth MOSFET 74 are arranged in a so-called "back-to-back" configuration in which their respective inverse diodes (not shown) are connected in anti-series to prevent reverse current.
  • An amplitude of the discharge is determined in consideration of a gate capacitance of the first MOSFET 10 and a desired oscillation frequency of the oscillator.
  • the capacitance 76 is short-circuited by a second MOSFET 70 (n-channel MOSFET) in the circuit arrangement, as a result of which the oscillator is deactivated.
  • the oscillator is therefore only active when the blocking voltage is present at the first MOSFET 10 .
  • An inverter 90 is provided in order to ensure that the third MOSFET 72 and the fourth MOSFET 74 are inactive. If a current ls flows through the inverse diode 14 of the first MOSFET 10, the frequency modulation of the gate-source voltage UGS causes the temperature signal of the temperature-dependent resistor 40 is modulated onto the light emission 18 of the inverse diode 14 and can be detected in a galvanically isolated manner, for example by means of a demodulator arranged in the environment 30 of the first MOSFET 10 (not shown).
  • the influence of the temperature of the first MOSFET 10 or the exciting current l s on the absolute intensity of the light emission 18 does not have a negative effect, which enables robust transmission of the information to be output .
  • FIG. 2 shows a schematic overview of an embodiment of an electrical system according to the invention, which here represents part of a vehicle electrical system.
  • the electrical system has a semiconductor module 50 which contains a circuit arrangement (not shown) according to the invention for driving a MOSFET 10 on the basis of an input signal SE which is generated by a component 40 of the semiconductor module 50 and represents information to be output.
  • the MOSFET 10 which is a SiC MOSFET here, has an optical interface 12 which is designed in such a way that a light emission 18 of an inverse diode 14 (not shown) of the MOSFET 10 is routed via the optical interface 12 to an outside of the MOSFET 10 will.
  • the optical interface 12 is optically coupled to an optical waveguide 52 which guides light emitted by the inverse diode 14 to an optical module interface 55 of the semiconductor module 50 .
  • the light emitted by the inverse diode 14 is emitted via the optical module interface 55 in the direction of a photodiode 60 of the electrical system, which is set up to convert the emitted light into a measurement signal SM and to provide this to an evaluation unit 110 of the electrical system.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, ein Halbleitermodul, ein elektrisches System und ein Verfahren zur optischen Informationsausgabe mittels eines MOSFET, wobei die Schaltungsanordnung einen MOSFET (10) mit einer optischen Schnittstelle (12) und eine Gate-Steuerschaltung (20) aufweist. Die optische Schnittstelle (15) des MOSFET (10) ist eingerichtet, durch eine Inversdiode (14) des MOSFET (10) erzeugtes Licht in ein Umfeld (30) des MOSFET (10) zu leiten. Die Gate-Steuerschaltung (20) ist eingerichtet, ein Eingangssignal (SE) zu empfangen, welches eine mittels der Schaltungsanordnung auszugebende Information repräsentiert und aus dem Eingangssignal (SE) ein Äusgangssignal (SA) zu erzeugen, welches ebenfalls die auszugebende Information repräsentiert und zusätzlich geeignet ist, eine Gate-Source-Spannung (UGS) des MOSFET (10) in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET (10) zu variieren. Zudem ist die Gate-Steuerschaltung eingerichtet, die Gate-Source-Spannung (UGS) des MOSFET (10) in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET (10) basierend auf dem Ausgangssignal (SA) zu variieren, um eine Lichtemission der Inversdiode (14) des MOSFET (10) in korrespondierender Weise zu variieren, wodurch eine Ausgabe der auszugebenden Information über die optische Schnittstelle (12) des MOSFET (10) erfolgt.

Description

Beschreibung
Titel
Schaltunqsanordnunq, Halbleitermodul, elektrisches System und Verfahren zur optischen Informationsausgabe mittels eines MOSFET
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, ein Halbleitermodul, ein elektrisches System und ein Verfahren zur optischen Informationsausgabe mittels eines MOSFET.
Aus dem Stand der Technik sind Siliziumkarbid- (SiC) MOSFETs bekannt, welche im Gegensatz zu typischen Silizium- (Si) MOSFETs eine starke Abhängigkeit bezüglich einer angelegten Gate-Source-Spannung in einem passiven Rückwärtsbetrieb aufweisen. Eine sich daraus ergebende Auswirkung wird auch als Body-Effekt bezeichnet und ist vor allem im Zusammengang mit Si- basierten MOSFETs in integrierten Schaltungen bekannt.
Zudem ist bekannt, dass eine Inversdiode (engl „body-diode“) eines MOSFET, welche sich auswirkt, wenn ein Substrat des MOSFET elektrisch mit einem Source-Anschluss des MOSFET verbunden ist, leitend wird, wenn ein Potential zwischen Drain und Source invertiert wird. Dies bewirkt eine ström- und temperaturabhängige Lichtemission durch diese Inversdiode.
DE102017212856 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Umformung elektrischer Energie und ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Halbleiterbauelements durch Lumineszenz.
“Physics of bipolar, unipolar and intermediate conduction modes in Silicon Carbide MOSFET body diodes”, V. Pala u. a., 201628th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), beschreibt die Physik von SiC-MOSFETs in einem Betrieb im dritten Quadranten und die Einflüsse einer veränderten Schwellenspannung aufgrund des Body-Effekts und des Spannungsabfalls über dem Anodenübergang.
“The influence of body effect and threshold voltage reduction on trench MOSFET body diode characteristics”, Dolny u. a., 2004 Proceedings of the 16th International Symposium on Power Sem iconductor Devices and ICs, beschreibt die Inversdiodencharakteristik von Leistungs-Graben-MOSFETs mit hoher Kanaldichte.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zur optischen Informationsausgabe mittels eines MOSFET vorgeschlagen. Die Schaltungsanordnung weist einen MOSFET mit einer optischen Schnittstelle und eine Gate-Steuerschaltung auf.
Die optische Schnittstelle des MOSFET ist eingerichtet, Licht, welches durch eine Inversdiode (auch als "body-diode" bezeichnet) des MOSFET erzeugt wird, in ein Umfeld des MOSFET zu leiten. Hierfür ist beispielsweise eine Durchgangsbohrung in einem Gehäuse des MOSFET und/oder ein Lichtwellenleiter und/oder eine weitere lichtleitende Vorrichtung wie ein transmissives Fenster im Bereich der Inversdiode vorgesehen.
Die Gate-Steuerschaltung ist beispielsweise eine diskrete und/oder eine integrierte analoge und/oder digitale Schaltung, welche beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet ist. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Gate-Steuerschaltung ein Bestandteil einer Gate-Treiberschaltung des MOSFET ist, welche verwendet wird, um einen oder mehrere Arbeitspunkte des MOSFET einzustellen (z. B. mittels einer oder mehrerer vordefinierter Gleichspannungen). Alternativ oder zusätzlich ist die Gate-Steuerschaltung als eine von der Gate-Treiberschaltung getrennte Schaltung ausgebildet.
Die Gate-Steuerschaltung ist eingerichtet, ein Eingangssignal zu empfangen, welches eine mittels der Schaltungsanordnung auszugebende Information, die grundsätzlich eine beliebige Art von Information sein kann, repräsentiert. Ferner ist die Gate-Steuerschaltung eingerichtet, aus dem Eingangssignal ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches ebenfalls die auszugebende Information repräsentiert und zusätzlich geeignet ist, eine Gate-Source-Spannung des MOSFET in einem Rückwärts betrieb des MOSFET zu variieren. Der Rückwärtsbetrieb wird durch eine Drain-Source-Spannung des MOSFET von kleiner 0 V erreicht, welcher durch eine externe Beschaltung des MOSFET, z. B. durch eine induktive Last hervorgerufen werden kann.
In Abhängigkeit einer jeweiligen Ausprägung des Eingangssignals und jeweiliger anwendungsspezifischer Anforderungen an das Ausgangssignal, ist es denkbar, dass das Ausgangssignal und das Eingangssignal identisch sind, oder dass das Ausgangssignal und das Eingangssignal einen linearen oder einen nichtlinearen Zusammenhang zueinander aufweisen. Darüber hinaus sind grundsätzlich beliebige Umformungen des Eingangssignals zur Erzeugung des Ausgangssignals einsetzbar, solange die auszugebende Information aus dem Ausgangssignal rekonstruierbar ist.
Die Gate-Steuerschaltung ist darüber hinaus eingerichtet, eine Gate-Source- Spannung des MOSFET in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET basierend auf dem Ausgangssignal zu variieren, um eine Lichtemission der Inversdiode des MOSFET in korrespondierenderweise zu variieren, wodurch eine Ausgabe der auszugebenden Information über die optische Schnittstelle des MOSFET erfolgt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die durch das Ausgangssignal hervorgerufene Variation der Gate-Source-Spannung des MOSFET grundsätzlich nicht auf bestimmte Spannungsvariationen der Gate-Source-Spannung eingeschränkt ist. In Abhängigkeit eines verwendeten MOSFET-Typs und/oder einer Ausprägung des Ausgangssignals und/oder einer erforderlichen Höhe einer zu erzeugenden Lichtemission durch die Inversdiode, ist es einerseits denkbar, dass die Gate- Source-Spannung ausschließlich im negativen Spannungsbereich variiert wird. Andererseits ist es auch möglich, durch die Variation der Gate-Source-Spannung zwischen negativen Spannungswerten und 0 V und/oder zwischen 0 V und positiven Spannungswerten (z. B. bis zur Schwellenspannung des MOSFET oder darüber hinaus) und/oder zwischen negativen Spannungswerten und positiven Spannungswerten der Gate-Source-Spannung zu variieren.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet u. a. den Vorteil, dass die mittels des Rückwärtsbetriebs des MOSFET ermöglichte Lichtemission für eine Ausgabe von Informationen einsetzbar ist, die nicht durch den MOSFET selbst erzeugt werden. Letzteres bezieht sich insbesondere auf interne Beeinflussungen der Lichtemission der Inversdiode durch Sperrschichttemperaturänderungen des MOSFET. Mittels einer geeigneten Auslegung des Ausgangssignals lassen sich solche MOSFET-internen Einflüsse auf die Lichtemission der Inversdiode von der erfindungsgemäßen Beeinflussung der Lichtemission der Inversdiode zuverlässig trennen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich zudem dadurch, dass die hier vorgeschlagene Informationsausgabe auf optischer Basis eine galvanische Isolation zwischen der Schaltungsanordnung und einer die Lichtemission bzw. die auszugebende Information empfangenden Komponente ermöglicht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Der MOSFET ist vorzugsweise ein Silizium- (Si) MOSFET oder ein Siliziumkarbid- (SiC) MOSFET, ohne den MOSFET dadurch auf vorstehende Varianten einzuschränken. SiC-MOSFETs sind im erfindungsgemäßen Zusammenhang besonders vorteilhaft einsetzbar, da durch diese eine besonders hohe Lichtemission mittels der Inversdiode erzeugbar ist. Beispielhafte Arbeitspunktbereiche für einen SiC-MOSFET im erfindungsgemäßen Zusammenhang können zwischen -1 V und -8 V, bevorzugt zwischen -2 V und -6 V und insbesondere bevorzugt im Bereich von -4 V liegen, ohne dadurch auf diese Spannungsbereiche eingeschränkt zu sein.
Die auszugebende Information ist bevorzugt eine durch die Gate- Steuerschaltung selbst und/oder eine mit der Gate-Steuerschaltung informationstechnisch verbundene Komponente (z. B. ein separater Gate-Treiber usw.) erzeugte Information. Besonders vorteilhaft ist die auszugebende Information eine durch einen Sensor (z. B. einen Temperatur- und/oder einen Stromsensor, usw.) erzeugte Information.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung repräsentiert das das Ausgangssignal eine Amplitudenmodulation und/oder eine Frequenzmodulation und/oder eine Phasenmodulation und/oder eine Pulsweitenmodulation des Eingangssignals. Dies ist u. a. dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die zu übertragende Information in einem ähnlichen Frequenzbereich vorliegt, wie vorstehend beschriebene Einflüsse auf die Lichtemission durch den MOSFET selbst. Durch eine Modulation der auszugebenden Information mit einem bezüglich eines solchen Frequenzbereichs höherfrequenten Trägersignals, wird in einer Empfängerkomponente für die Lichtemission eine Filtermöglichkeit zur Unterscheidung der Lichtemissionsanteile, die durch die auszugebende Information bewirkt werden und der Lichtemissionsanteile, die durch interne Beeinflussungen des MOSFET bewirkt werden, geschaffen. Hierfür wird beispielsweise eine hinsichtlich des modulierten Ausgangssignals ausgelegte Hochpassfilterung eingesetzt. Darüber hinaus ist die vorgeschlagene Modulation auch zur Verbesserung eines Signal-/Rauschverhältnisses der auszugebenden Information vorteilhaft einsetzbar.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft möglich, dass das Variieren der Gate-Source- Spannung basierend auf dem Ausgangssignal eine asymmetrische Variation der Gate-Source-Spannung um einen aktuell verwendeten Arbeitspunkt des MOSFET bewirkt. Dies ermöglicht beispielsweise eine Kompensation eines Einflusses einer nichtlinearen Kennlinie im Bereich des Arbeitspunktes des MOSFET und/oder der Inversdiode mit dem Ziel, dass im Wesentlichen identische positive und negative Signalamplituden des Eingangssignals im Wesentlichen zu einer betragsmäßigen identischen Erhöhung beziehungsweise Reduzierung einer Lichtemission durch die Inversdiode führen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das Variieren der Gate-Source-Spannung ein alternierendes Umschalten zwischen einem lichtemittierenden Zustand und einem nicht lichtemittierenden Zustand der Inversdiode des MOSFET bewirkt. Dies erlaubt u. a. eine besonders zuverlässige Unterscheidung zwischen den beiden Signalzuständen in einer Empfängerkomponente für die Lichtemission. Am Beispiel eines SiC-MOSFET ist es möglich, die auszugebende Information etwa durch eine mit dem ersten Signal korrespondierende Umschaltung des Arbeitspunktes des MOSFET zwischen -4 V (d. h., die Inversdiode befindet sich in einem lichtemittierenden Zustand) und +18 V (d. h., die Inversdiode befindet sich in einem Zustand, in dem sie kein Licht emittiert) erfolgen, ohne dadurch eine Einschränkung auf diese konkreten Spannungswerte vorzunehmen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, auf diese Weise zwischen drei oder mehr voneinander abweichenden Arbeitspunkten umzuschalten, um beispielsweise eine ternäre oder höherwertige Signalübertragung zu erzielen. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitermodul, insbesondere eine Leistungsmodul vorgeschlagen welches eine Schaltungsanordnung nach vorstehender Beschreibung aufweist, wobei die optische Schnittstelle des MOSFET mit einer Empfängerkomponente des Halbleitermoduls (z. B. eine im Halbleitermodul angeordnete Photodiode für eine Nutzung der auszugebenden Information innerhalb des Halbleitermoduls selbst) optisch gekoppelt ist und/oder wobei das Halbleitermodul über eine optische Modulschnittstelle verfügt, welche mit der optischen Schnittstelle des MOSFET optisch gekoppelt ist. Letzterer Fall ermöglicht eine Nutzung der auszugebenden Information außerhalb des Halbleitermoduls, indem das Halbleitermodul die Lichtemissionen der Inversdiode des MOSFET über eine optische Schnittstelle (z. B. eine Durchgangsbohrung und/oder ein optisches Fenster und/oder eine Lichtwellenleiterschnittstelle, usw.) in ein Umfeld des Halbleitermoduls leitet. Es sei darauf hingewiesen, dass das Halbleitermodul grundsätzlich eine beliebige Anzahl weiterer Komponenten umfassen kann (z. B. weitere MOSFET, oder davon abweichende Komponenten). Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches System vorgeschlagen, welches eine Schaltungsanordnung und/oder ein Halbleitermodul nach vorstehender Beschreibung aufweist. Das elektrische System ist eingerichtet, den MOSFET zumindest zeitweise, insbesondere wiederkehrend in einen Rückwärtsbetrieb zu versetzen. Wie oben bereits beschrieben, ergibt sich ein solcher Rückwärtsbetrieb beispielsweise in Verbindung mit einer durch den MOSFET oder durch eine Mehrzahl von MOSFETs geschalteten induktiven Last und oder einer davon abweichenden Ursache für eine Potentialumkehr der Drain-Source-Spannung des MOSFET. Vorzugsweise wird der Rückwärtsbetrieb des MOSEFT durch die Schaltungsanordnung automatisch erkannt, so dass eine Ausgabe der auszugebenden Information gezielt nur in jeweiligen Phasen des Rückwärtsbetriebs erfolgt. In diesem Zusammenhang ist es auch denkbar, dass in Abhängigkeit einer evtl. Notwendigkeit, aktuell vorliegende auszugebende Informationen mittels der Inversdiode mit einer maximal zulässigen Zeitverzögerung nach außen zu übertragen, mittels der Schaltungsanordnung und/oder einer weiteren Komponente des elektrischen Systems, eine diesbezüglich bedingte Herstellung des Rückwärtsbetriebs erfolgt. Dies kann insbesondere dann relevant sein, wenn mittels der auszugebenden Information funktionsrelevante und/oder sicherheitskritische Daten (z. B. zur Vermeidung einer Überhitzung eines Halbleitermoduls, usw.) ausgegeben werden. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erst- und zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Bevorzugt weist das elektrische System zusätzlich einen Lichtdetektor (z. B. eine Photodiode, einen Silizium-Photovervielfacher, usw.) auf, wobei der Lichtdetektor optisch mit der optischen Schnittstelle des MOSFET und/oder der optischen Modulschnittstelle des Halbleitermoduls gekoppelt ist und eingerichtet ist, durch die Inversdiode des MOSFET emittiertes Licht zu empfangen, aus dem empfangenen Licht ein Messsignal zu erzeugen und das Messsignal dem elektrischen System bereitzustellen. In dem Fall, dass das Ausgangsignal eine modulierte Repräsentation des Eingangssignals darstellt, wird das Messsignal beispielsweise zunächst einem Demodulator des elektrischen Systems zugeführt, um das ausgegebene Lichtsignal vor einer weiteren Verwendung zu demodulieren. Darüber hinaus kommen beliebige weitere Bauteile und/oder Komponenten und/oder Module des elektrischen Systems als Empfänger des Messsignals des Lichtdetektors in Frage.
Das elektrische System ist beispielsweise eine Brückenschaltung (z. B. eine Halbbrücke, eine Vollbrücke, usw.) und/oder ein Antriebsumrichter und/oder ein DC/DC-Spannungswandler und/oder ein AC/AC-Spannungswandler und/oder ein Wechselrichter und/oder ein Gleichrichter und/oder ein Schaltnetzteil und/oder ein Bordnetz eines Fahrzeugs.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur optischen Informationsausgabe mittels eines MOSFET einer Schaltungsanordnung vorgeschlagen. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Eingangssignal, welches eine mittels der Schaltungsanordnung auszugebende Information repräsentiert, durch eine Gate-Steuerschaltung des MOSFET der Schaltungsanordnung empfangen. In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Ausgangssignal aus dem Eingangssignal erzeugt, wobei das Ausgangssignal ebenfalls die auszugebende Information repräsentiert und zusätzlich geeignet ist, eine Gate-Source-Spannung des MOSFET in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET zu variieren. In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Gate-Source-Spannung des MOSFET in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET basierend auf dem Ausgangssignal variiert, um eine Lichtemission einer Inversdiode des MOSFET in korrespondierender weise zu variieren, wodurch eine Ausgabe der auszugebenden Information über eine optische Schnittstelle des MOSFET erfolgt. Die Merkmale,
Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erst-, zweit- und drittgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung; und
Figur 2 eine schematische Übersicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Systems.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung weist einen Gate-Treiber 80, eine Gate-Steuerschaltung 20 und einen ersten MOSFET 10 mit einer optischen Schnittstelle 12 auf, welcher hier als SiC-MOSFET ausgebildet ist.
Der Gate-Treiber stellt eine Gate-Source-Spannung UGS bereit, welche einen Arbeitspunkt des ersten MOSFET 10 festlegt. Die Gate-Steuerschaltung 20 weist einen ersten Anschluss 22 und einen zweiten Anschluss 24 auf, über welche die Gate-Steuerschaltung 20 eingerichtet ist, ein Eingangssignal SE zu empfangen, welches eine mittels der Schaltungsanordnung auszugebende Information repräsentiert. Das Eingangssignal SE wird hier von einem temperaturabhängigen Widerstand 40 bestimmt, der eingerichtet ist, eine Umgebungstemperatur der Schaltungsanordnung zu erfassen.
Die Gate-Steuerschaltung 20 weist zudem einen Oszillator auf, dessen Ausgangsfrequenz mit der Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes 40 korrespondiert und welcher eingerichtet ist, ein Ausgangssignal SA zu erzeugen, welches einer Frequenzmodulation des Eingangssignals SE entspricht. Der Oszillator verwendet einen Schmitt-Trigger 100 und eine Oszillator-Kapazität 76, wobei die Oszillator-Kapazität 76 durch einen invertierten Ausgang des Schmitt-Triggers 100 über den temperaturabhängigen Widerstand 40 geladen beziehungsweise entladen wird.
Der Ausgang des Oszillators steuert eine Entladeschaltung bestehend aus einem dritten MOSFET 72 (n-Kanal MOSFET) und einem dritten MOSFET 74 (n-Kanal MOSFET), welche eingerichtet ist, das Gate des ersten MOSFET 10 bezüglich eines Source-Anschlusses des ersten MOSFET 10 kurzschließen, um eine durch den Gate-Treiber 80 angelegte negative Sperrspannung des MOSFET 10 zu variieren. Der dritte MOSFET 72 und der vierte MOSFET 74 sind in einer sogenannten „back-to-back“-Konfiguration angeordnet, in welcher ihre jeweiligen Inversdioden (nicht gezeigt) antiseriell geschaltet sind, um einen Rückwärtsstrom zu unterbinden. Unter Berücksichtigung einer Gate- Kapazität des ersten MOSFET 10 und einer gewünschten Oszillatorfrequenz des Oszillators wird eine Amplitude der Entladung festgelegt. Ist die Gate-Source-Spannung UGS positiv, so wird die Kapazität 76 durch einen zweiten MOSFET 70 (n-Kanal MOSFET) der Schaltungsanordnung kurzgeschlossen, wodurch der Oszillator deaktiviert wird. Der Oszillator ist somit nur dann aktiv, wenn die Sperrspannung am ersten MOSFET 10 anliegt.
Um zu erreichen, dass der dritte MOSFET 72 und der vierte MOSFET 74 dabei inaktiv sind, ist ein Invertierer 90 vorgesehen. Fließt ein Strom ls durch die Inversdiode 14 des ersten MOSFET 10, so wird durch die Frequenzmodulation der Gate-Source-Spannung UGS das Temperatursignal des temperaturabhängigen Widerstandes 40 auf die Lichtemission 18 der Inversiode 14 moduliert und kann beispielsweise mittels eines im Umfeld 30 des ersten MOSFET 10 angeordneten, (nicht gezeigten) Demodulators galvanisch isoliert erfasst werden.
Da die auszugebende Information durch die Variation hier der Frequenz übermittelt wird, ist wirkt sich ein Einfluss der Temperatur des ersten MOSFET 10 oder des anregenden Stroms ls auf die absolute Intensität der Lichtemission 18 nicht negativ aus, wodurch eine robuste Übertragung der auszugebenden Information ermöglicht wird.
Figur 2 zeigt eine schematische Übersicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Systems, welches hier einen Teil eines Bordnetzes eines Fahrzeugs repräsentiert. Das elektrische System weist ein Halbleitermodul 50 auf, welches eine (nicht gezeigte) erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines MOSFET 10 auf Basis eines Eingangssignals SE beinhaltet, welches durch eine Komponente 40 des Halbleitermoduls 50 erzeugt wird und eine auszugebende Information repräsentiert.
Der MOSFET 10, welcher hier ein SiC-MOSFET ist, verfügt über eine optische Schnittstelle 12, welche derart ausgebildet ist, dass eine Lichtemission 18 einer (nicht gezeigten) Inversdiode 14 des MOSFET 10 über die optische Schnittstelle 12 zu einer Außenseite des MOSFET 10 geleitet wird. Die optische Schnittstelle 12 ist optisch mit einem Lichtwellenleiter 52 gekoppelt, welcher durch die Inversdiode 14 emittiertes Licht zu einer optischen Modulschnittstelle 55 des Halbleitermoduls 50 leitet. Über die optische Modulschnittstelle 55 wird das durch die Inversdiode 14 emittierte Licht in Richtung einer Photodiode 60 des elektrischen Systems abgestrahlt, welche eingerichtet ist, das emittierte Licht in ein Messsignal SM zu wandeln und dieses einer Auswerteeinheit 110 des elektrischen Systems bereitzustellen.

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung zur optischen Informationsausgabe mittels eines MOSFET aufweisend:
• einen MOSFET (10) aufweisend eine optische Schnittstelle (12), und
• eine Gate-Steuerschaltung (20), wobei
• die optische Schnittstelle (15) des MOSFET (10) eingerichtet ist, durch eine Inversdiode (14) des MOSFET (10) erzeugtes Licht in ein Umfeld (30) des MOSFET (10) zu leiten,
• die Gate-Steuerschaltung (20) eingerichtet ist, oein Eingangssignal (SE) zu empfangen, welches eine mittels der Schaltungsanordnung auszugebende Information repräsentiert, und oaus dem Eingangssignal (SE) ein Ausgangssignal (SA) zu erzeugen, welches ebenfalls die auszugebende Information repräsentiert und zusätzlich geeignet ist, eine Gate-Source- Spannung (UGS) des MOSFET (10) in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET (10) zu variieren, und odie Gate-Source-Spannung (UGS) des MOSFET (10) in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET (10) basierend auf dem Ausgangssignal (SA) zu variieren, um eine Lichtemission der Inversdiode (14) des MOSFET (10) in korrespondierender Weise zu variieren, wodurch eine Ausgabe der auszugebenden Information über die optische Schnittstelle (12) des MOSFET (10) erfolgt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der MOSFET (10)
• ein Si-MOSFET, oder
• ein SiC-MOSFET ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die auszugebende Information eine durch
• die Gate-Steuerschaltung (20), und/oder
• eine mit der Gate-Steuerschaltung (20) informationstechnisch verbundene Komponente (40), erzeugte Information und insbesondere eine durch einen Sensor erzeugte Information ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ausgangssignal (SA) eine
• Amplitudenmodulation, und/oder
• Frequenzmodulation, und/oder
• Phasenmodulation, und/oder
• Pulsweitenmodulation des Eingangssignals (SE) repräsentiert.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Variieren der Gate-Source-Spannung (UGS) basierend auf dem Ausgangssignal (SA)
• eine asymmetrische Variation der Gate-Source-Spannung (UGS) um einen Arbeitspunkt des MOSFET (10) bewirkt, und/oder
• ein alternierendes Umschalten zwischen einem lichtemittierenden
Zustand und einem nicht lichtemittierenden Zustand der Inversdiode (14) des MOSFET (10) bewirkt.
6. Halbleitermodul (50) aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
• die optische Schnittstelle (12) des MOSFET (10) mit einer
Empfängerkomponente des Halbleitermoduls (50) optisch gekoppelt ist, und/oder
• das Halbleitermodul (50) über eine optische Modulschnittstelle (55) verfügt, welche mit der optischen Schnittstelle (12) des MOSFET (10) optisch gekoppelt ist.
7. Elektrisches System aufweisend:
• eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, und/oder
• ein Halbleitermodul (50) nach Anspruch 6, wobei das elektrische System eingerichtet ist, den MOSFET (10) zumindest zeitweise, insbesondere wiederkehrend in einen Rückwärtsbetrieb zu versetzen.
8. Elektrisches System nach Anspruch 7 weiter aufweisend einen Lichtdetektor (60), wobei
• der Lichtdetektor (60) optisch mit der optischen Schnittstelle (12) des
MOSFET (10) und/oder der optischen Modulschnittstelle (55) des Halbleitermoduls (50) gekoppelt ist, und
• eingerichtet ist, durch die Inversdiode des MOSFET (10) emittiertes
Licht zu empfangen, aus dem empfangenen Licht ein Messsignal (SM) zu erzeugen und das Messsignal (SM) dem elektrischen System bereitzustellen.
9. Elektrisches System nach Anspruch 7 oder 8, wobei das elektrische System
• eine Brückenschaltung, und/oder
• ein Antriebsumrichter, und/oder
• ein DC/DC-Spannungswandler, und/oder
• ein AC/AC-Spannungswandler, und/oder
• ein Wechselrichter, und/oder
• ein Gleichrichter, und/oder
• ein Schaltnetzteil, und/oder
• ein Bordnetz eines Fahrzeugs ist.
10. Verfahren zur optischen Informationsausgabe mittels eines MOSFET (10) einer Schaltungsanordnung aufweisend die Schritte:
• Empfangen eines Eingangssignals (SE), welches eine mittels der
Schaltungsanordnung auszugebende Information repräsentiert, durch eine Gate-Steuerschaltung (20) des MOSFET (10) der Schaltungsanordnung, und
• Erzeugen eines Ausgangssignals (SA) aus dem Eingangssignal (SE), wobei das Ausgangssignal (SA) ebenfalls die auszugebende Information repräsentiert und zusätzlich geeignet ist, eine Gate- Source-Spannung (UGS) des MOSFET (10) in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET (10) zu variieren, und • Variieren der Gate-Source-Spannung (UGS) des MOSFET (10) in einem Rückwärtsbetrieb des MOSFET (10) basierend auf dem Ausgangssignal (SA), um eine Lichtemission einer Inversdiode (14) des MOSFET (10) in korrespondierenderweise zu variieren, wodurch eine Ausgabe der auszugebenden Information über eine optische
Schnittstelle (12) des MOSFET (10) erfolgt.
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