Optisch ein- und ausschaltbares leistungselektronisches Bauelement (Lichtgesteuerte Kaskode bzw. Superkaskode)

// Elektrische Schaltungen // Elektronik und Elektrotechnik // Energieübertragung // Halbleiter
Ref-Nr: 16489

Einleitung / Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisch steuerbares, leistungselektronisches Bauelement oder eine sinngemäße Schaltungsanordnung. Dadurch können leistungselektronische Geräte wie z.B. selbstgeführte Stromrichter, Gleichstromsteller, Wechselrichter, Schalter für Wechsel- oder Drehstromlasten und Schalter für Gleichstromlasten einfacher und zuverlässiger aufgebaut werden.

Abbildung 1: Schaltbild der Lichtgesteuerten Kaskode (links), Zeitverläufe beim Ein- und Ausschalten des Versuchsaufbaus der Lichtgesteuerten Kaskode (rechts)

Abbildung 2: Schaltbild der Lichtgesteuerten Superkaskode (links), Zeitverläufe beim Ein- und Ausschalten des Versuchsaufbaus der Lichtgesteuerten Superkaskode (rechts)

Hintergrund

Die optische Ansteuerung eines Leistungshalbleiters über Lichtwellenleiter (LWL), die für eine Trennung des elektrischen Potentials sorgt, vereinfacht den Aufbau eines leistungselektronischen Stromrichters. Bisher gab es nur lichtgesteuerte Thyristoren, die optisch ein, jedoch nicht ausgeschaltet werden können. Diesen Nachteil überwindet die erfindungsgemäße Lösung.

Problemstellung

Leistungselektronische Geräte müssen eine galvanische Potentialtrennung der Ansteuerung aufweisen. Durch optisch ein- und ausschaltbare Leistungshalbleiter kann dies durch Lichtwellenleiter erfolgen die zudem Vorteile bei der Elektromagnetischen Verträglichkeit aufweisen.

Lösung

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann ein steuerbares, leistungselektronisches Bauelement optisch ein- und ausgeschaltet werden. Eine Fotodiode liefert die Gatespannung und -ladung zur Ansteuerung eines normally-off Halbleiters T0, wie z.B. einen MOSFET. Wenn dieser in einer Kaskode oder Superkaskode betrieben wird braucht T0 nur für eine niedrige Sperrspannung ausgelegt sein, die gesamte Sperrspannung der (Super)-Kaskode wird von den anderen normally-on Halbleitern T1 (bis Tn) aufgenommen. Deshalb reicht es die zur Ansteuerung eines niedrig sperrenden Halbleiters erforderliche Gateladung mit einer Fotodiode zu generieren. Besonders vorteilhaft wäre es sowohl die Fotodiode D als auch den normally-off Halbleiter T0 sowie den Widerstand R auf einem gemeinsamen Chip aus z.B. GaN zu realisieren. Dieser Chip könnte dann zusammen mit weiteren normally-off Halbleitern zu einem optisch ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleiter mit skalierbarer Sperrspannung in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut werden. Wenn die Fotodiode und der Halbleiter T0 aus einem wide-bandgap-Halbleiter wie z.B. GaN aufgebaut wird ergibt sich eine relativ hohe Spannung der Fotodiode und gleichzeitig kann mit der Gateladung ein besonders niedriger Durchlasswiderstand RDSon des Halbleiters T0 erreicht werden. Abb. 1 links zeigt die Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Lichtgesteuerten Kaskode. Die Fotodiode D erzeugt bei Beaufschlagung mit Licht eine Spannung zum Aufsteuern des normally-off Halbleiters T0 der wiederum die Kaskode einschaltet. Wenn das Lichtsignal endet entlädt der Widerstand R den Gatekreis von T0 wodurch die Kaskode abschaltet. Damit übernimmt die Lichtgesteuerte Kaskode die Funktion eines MOS-FETs oder IGBTs mit dem Unterschied das es sich um eine optische Ansteuerung z.B. über einen LWL, handelt. Deshalb hat die Lichtgesteuerte Kaskode nur die zwei Hauptanschlüsse Drain (D) und Source (S), ein elektrischer Steueranschluss entfällt. Abb. 1 rechts zeigt Zeitverläufe an einem Versuchsaufbau einer Lichtgesteuerten Kaskode. Geschaltet wurde eine Last von 150 Ohm an einer Spannung von 300V, die geschaltete Leistung ist also 600W. Mangels kommerzieller Verfügbarkeit wurde die GaN-Fotodiode durch eine invers betriebene blaue LED ersetzt und der normally-on Halbleiter T1 durch einen 600V (normally-off) Si-MOSFET ersetzt der durch eine Z-Diode und einen Kondensator eine positive Gatevorspannung von 7V erhielt wodurch er normally-on Verhalten bekommt. Bei Verwendung eines normally-on Halbleiters für T1 würde diese Vorspannung entfallen. Die einzelnen Verläufe zeigen: Ch1 (blau): UDS von T0, 2V/Division Ch2 (cyan): UGS von T0, 500mV/Division (andere Nulllinie als Ch1 bis 3) Ch3 (magenta): UDS der gesamten Kaskode, 50V/Division Ch4 (grün): ID der Kaskode, 0,5A/Division Zeitachse: 40µs/Division Das langsame Schaltverhalten ist dem Umstand geschuldet das mangels kommerzieller Verfügbarkeit anstelle einer GaN-Fotodiode eine invers betriebene LED benutzt wurde. Mit einer optimierten Fotodiode aus GaN wäre deren Kurzschlussstrom höher und der Entladewiderstand R könnte kleiner ausfallen wodurch sowohl die Ladung als auch die Entladung des Gatekreises schneller abliefe. Abb. 2 links zeigt wie das Konzept der Lichtgesteuerten Kaskode zur Superkaskode erweitert werden kann. Dadurch kann die gesamte Sperrspannung erhöht und das Bauelement hinsichtlich seiner max. Sperrspannung skalierbar gestaltet werden. Beim Hinzufügen zusätzlicher Stufen wird eine Spannungssymmetrierung durch die gezeigten Zener- oder Suppressordioden DZ1 bis DZ(n-1) erreicht. Abb. 2 rechts zeigt Zeitverläufe an einem Versuchsaufbau einer zweistufigen Lichtgesteuerten Superkaskode, also dem Teil von Abb. 2 links der unterhalb der drei Punkte dargestellt ist. Geschaltet wurde eine Last von 340 Ohm an einer Spannung von 500V, die geschaltete Leistung ist also 0,735kW. Auch hier wurde die invers betriebene blaue LED als Fotodiode benutzt und die normally-on Halbleiter T1 und T2 durch 600V (normally-off) Si-MOSFETs ersetzt die durch zwei 9V-Batterien jeweils eine positive Gatevorspannung von 9,5V erhielten wodurch sie normally-on Verhalten bekommen. Bei Verwendung von normally-on Halbleitern für T1 und T2 würden diese Batterien entfallen. Die einzelnen Verläufe zeigen: Ch1 (blau): Drainpotential T1, 100V/Division Ch2 (cyan): UGS von T0, 500mV/Division (andere Nulllinie als Ch1 bis 3) Ch3 (magenta): UDS der Superkaskode, 100V/Division Ch4 (grün): ID der Kaskode, 0,5A/Division Zeitachse: 40µs/Division Es ist zu erkennen wie die 250V-Suppressordiode die Sperrspannung von T1 auf ca. 250V begrenzt. Die darüber hinausgehende Sperrspannung der Superkaskode muss von T2 übernommen werden. Auch bei diesem Versuchsaufbau ergibt sich aus den o.g. Gründen ein relativ langsames Schalten. Ebenso ist eine Oszillation beim Schalten erkennbar die noch durch geeignete Beschaltungen bedämpft werden muss.

Vorteile

Optisches Ein- und Ausschalten eines leistungselektronischen Bauelements Großes Anwendungsgebiet aufgrund Skalierung der Sperrspannung / gerade im Bereich höherer Sperrspannungen Unabhängigkeit der Steuerseite der (Super-) Kaskode von der gesamten Sperrspannung

Anwendungsbereiche

Anwendungsgebiete können die Energietechnik, die elektrische Energieversorgung und –übertragung und die Antriebstechnik sein.

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