Optisch schaltbares Leistungselektronikbauteil (lichtgesteuerter Kaskode oder Superkaskode)

Einleitung / Abstract

Mit der erfundenen Lösung kann ein steuerbares, leistungselektronisches Bauteil optisch ein- und ausgeschaltet werden. Eine Fotodiode liefert die Gatespannung und -ladung zum Antreiben eines normal abgeschalteten Halbleiters T0, wie beispielsweise eines MOSFETs. Wird der MOSFET in einem Kaskaden- oder Superkaskadencode betrieben, muss T0 nur für eine niedrige Sperrspannung ausgelegt werden, die gesamte Sperrspannung des (Super-)Kaskadencodes wird von den anderen normalerweise angeschlossenen Halbleitern T1 (bis Tn) aufgenommen. Daher ist es ausreichend, die Gate-Ladung zu erzeugen, die erforderlich ist, um einen niedrig blockierenden Halbleiter mit einer Fotodiode anzutreiben.

Hintergrund

Die optische Steuerung eines Leistungshalbleiters über Glasfasern (FO), die die Trennung des elektrischen Potentials gewährleistet, vereinfacht den Aufbau eines Leistungselektronik-Wandlers. Bisher gab es nur lichtgesteuerte Thyristoren, die optisch ein- und ausgeschaltet werden konnten. Dieser Nachteil wird durch die erfinderische Lösung überwunden.

Problemstellung

Leistungselektronikgeräte müssen eine galvanische Potentialtrennung der Steuerung aufweisen. Dies kann durch Glasfaser mit optisch ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleitern erreicht werden, die auch in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit Vorteile bieten.

Lösung

Besonders vorteilhaft wäre es, sowohl die Fotodiode D und den normal abgeschalteten Halbleiter T0 als auch den Widerstand R auf einem gemeinsamen Chip aus z.B. GaN zu realisieren. Dieser Chip könnte dann zusammen mit anderen normalerweise nicht leitenden Halbleitern in ein gemeinsames Gehäuse integriert werden, um einen optisch schaltbaren Leistungshalbleiter mit skalierbarer Sperrspannung zu bilden. Bestehen die Fotodiode und der Halbleiter T0 aus einem Breitbandhalbleiter wie GaN, ergibt sich eine relativ hohe Spannung der Fotodiode und gleichzeitig kann mit der Gate-Ladung ein besonders niedriger Vorwärtswiderstand RDSon des Halbleiters T0 erreicht werden. Fig. 1 auf der linken Seite zeigt die Schaltungsanordnung des lichtgesteuerten Kaskadencodes gemäß der Erfindung. Unter Lichteinwirkung erzeugt die Fotodiode D eine Spannung, um den normal abgeschalteten Halbleiter T0 anzutreiben, der wiederum den Kode einschaltet. Wenn das Lichtsignal endet, entlastet der Widerstand R die Gate-Schaltung von T0 und bewirkt, dass der Kaskode ausgeschaltet wird. Somit übernimmt der lichtgesteuerte Kaskode die Funktion eines MOS-FET oder IGBTs mit dem Unterschied, dass es sich um eine optische Steuerung z.B. über eine Glasfaser handelt. Daher hat der lichtgesteuerte Kode nur die beiden Hauptanschlüsse Drain (D) und Source (S), ein elektrischer Steueranschluss entfällt. Abb. 1 rechts zeigt den zeitlichen Verlauf eines Testaufbaus eines lichtgesteuerten Kaskadencodes. Eine Last von 150 Ohm wurde bei einer Spannung von 300V geschaltet, die Schaltleistung beträgt somit 600W. Aufgrund mangelnder kommerzieller Verfügbarkeit wurde die GaN-Fotodiode durch eine inverse blaue LED ersetzt und der normalerweise eingeschaltete Halbleiter T1 durch einen 600V (normalerweise ausgeschalteten) Si-MOSFET, der eine positive Gate-Vorspannung von 7V durch eine Z-Diode und einen Kondensator erhielt, was ihm ein normal eingeschaltetes Verhalten verleiht. Die Verwendung eines normal arbeitenden Halbleiters für T1 würde diese Vorspannung eliminieren. Die einzelnen Kurven zeigen: Ch1 (blau): UDS von T0, 2V/Division Ch2 (cyan): UGS von T0, 500mV/Division (Nulllinie außer Ch1 bis 3) Ch3 (Magenta): UDS des gesamten Kaskadencodes, 50V/Division Ch4 (grün): ID des Kaskadencodes, 0,5A/Sparte Zeitachse: 40µs/Teilung Das langsame Schaltverhalten ist darauf zurückzuführen, dass mangels kommerzieller Verfügbarkeit eine inverse LED anstelle einer GaN-Fotodiode verwendet wurde. Mit einer optimierten Fotodiode aus GaN wäre ihr Kurzschlussstrom höher und der Entladewiderstand R kleiner, was sowohl die Ladung als auch die Entladung der Gate-Schaltung beschleunigen würde. Abb. 2 links zeigt, wie das Konzept des lichtgesteuerten Kaskodes zu einem Superkaskode erweitert werden kann. Dadurch kann die Gesamtumkehrspannung erhöht und die Komponente in Bezug auf ihre maximale Sperrspannung skalierbar gemacht werden. Wenn zusätzliche Stufen hinzugefügt werden, wird die Spannungssymmetrie durch die dargestellten Zener- oder Suppressordioden DZ1 bis DZ(n-1) erreicht. Abb. 2 rechts zeigt den zeitlichen Verlauf eines Versuchsaufbaus eines zweistufigen lichtgesteuerten Superkaskodes, d.h. den Teil von Abb. 2 links, der unterhalb der drei Punkte dargestellt ist. Eine Last von 340 Ohm wurde bei einer Spannung von 500V geschaltet, so dass die Schaltleistung 0,735kW beträgt. Wiederum wurde die inverse blaue LED als Fotodiode verwendet und die normalerweise eingeschalteten Halbleiter T1 und T2 durch 600V (normalerweise ausgeschaltet) Si-MOSFETs ersetzt, die eine positive Gate-Vorspannung von 9,5V durch je zwei 9V-Batterien erhielten, was ihnen ein normal eingeschaltetes Verhalten verleiht. Die Verwendung von Halbleitern, die normalerweise für T1 und T2 verwendet werden, würde diese Batterien eliminieren. Die einzelnen Kurven zeigen: Ch1 (blau): Entwässerungspotential T1, 100V/Aufteilung Ch2 (cyan): UGS von T0, 500mV/Division (Nulllinie außer Ch1 bis 3) Ch3 (Magenta): UDS der Superkaskode, 100V/Division Ch4 (grün): ID des Kaskadencodes, 0,5A/Sparte Zeitachse: 40µs/Teilung Sie können sehen, wie die 250V-Suppressordiode die Sperrspannung von T1 auf ca. 250V begrenzt. Die darüber hinausgehende Rückwärtsspannung des Superkaskodes muss von T2 übernommen werden. Dieser Testaufbau führt aus den oben genannten Gründen auch zu einem relativ langsamen Schalten. Auch eine Schwingung beim Schalten ist erkennbar, die durch geeignete Schaltungen gedämpft werden muss.

Vorteile

Anwendungsbereiche

Anwendungsgebiete können die Energietechnik, die elektrische Energieversorgung sowie die Übertragungs- und Antriebstechnik sein.