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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zum elektronischen Schalten eines von einer Stromquelle
gespeisten Lastelements gemäß Patentanspruch
1, auf eine Anordnung der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10, 11 sowie
auf eine Verwendung der Vorrichtung bzw. der Anordnung gemäß Patentanspruch
15, 16.
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Aus der
DE 196 12 216 A1 ist ein
elektronisches Abzweigschaltgerät
für eine
Drehstromquelle bekannt, das mit Halbleiter-Schaltelementen hergestellt
ist. Das vorgenannte Abzweigschaltgerät weist unter anderem zwei
Halbleiterbauelemente auf, die elektrisch in Reihe zu einem Hybrid-Leistungs-MOSFET zusammengeschaltet
sind. Ein derartiger Hybrid-Leistungs-MOSFET
ist beispielsweise in der
DE 199
02 520 A1 offenbart. Derartig eingesetzte Halbleiter-Schalt-
bzw. -Bauelemente finden unter anderem in der Niederspannungs- sowie
ggf. auch in der Mittelspannungs-Schalttechnik Anwendung und dienen
zum kontaktlosen Ein- bzw. Ausschalten eines stromquellengespeisten
Verbrauchers, beispielsweise eines Motors.
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Hierbei fließt beim Zuschalten eines als
Lastelement wirkenden Verbrauchers, beispielsweise eines Motors,
bis zum Erreichen der motorspezifischen Nenndrehzahl ein Anlaufstrom,
der ein Vielfaches des Nennstromes beträgt. Übertragen auf ein Schaltgerät mit Halbleitern
zum elektronischen Schalten des Verbrauchers, insbesondere des Motors,
entsteht während
der Anlaufphase eine starke thermische Belastung in besagten Halbleitern.
Folglich bestimmt die aus der Anlaufphase resultierende Belastung
die Dimensionierung der Halbleiter.
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Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine
Vorrichtung zum elektronischen Schalten, eine Anordnung der Vorrichtung
sowie eine Verwendung der Vorrichtung bzw. Anordnung anzugeben,
die sich sowohl im Anlaufbetrieb wie auch im Nennbetrieb eines zu
schaltenden Lastelements durch eine geringe Wärmeentwicklung auszeichnet.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis
aus, dass die Wärmeentwicklung
durch halbleiterbedingte Verlustleistungen – auch Durchlassverluste genannt – bedingt
ist.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der
Vorrichtung erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich der Anordnung der
Vorrichtung erfindungsgemäß durch
die Merkmale der Patentansprüche
11, 12 sowie in bezug auf die Verwendung der Anordnung bzw. der
Vorrichtung durch die Merkmale der Patentansprüche 16, 17 gelöst; vorteilhafte
Ausgestaltungen der Vorrichtung, der Anordnung sowie der Verwendung
sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Durch die Verschaltung bzw. den Aufbau
der Vorrichtung mit zwei zueinander laststromseitig elektrisch parallelgeschalteten
und in Abhängigkeit
der jeweiligen bauteilspezifischen Strom-Spannungs-Rusgangskennlinie
unterschiedliche Verlustleistungen aufweisenden Halbleiter-Schaltelementen,
durch die im stromführenden
Zustand eine Unterschreitung der Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements
durch das zweite Halbleiter-Schaltelement im Anlaufbetrieb des Lastelements und/oder
durch das erste Halbleiter-Schaltelement im Nennbetrieb des Lastelements
gegeben ist, wird erreicht, dass der Laststrom während des Anlaufbetriebs im
Wesentlichen über
das zweite Halbleiter-Schaltelement bzw. über beide Halbleiter-Schaltelemente
fließt,
wobei sich aus dem Spannungsfall an dem zweiten Halbleiter-Schaltelement
auf Grund seiner Kennlinien-Charakteristik gegenüber der Kennlinien-Charakteristik
des ersten Halbleiter-Schaltelements ein geringeres Verhältnis der
Verlustleistungen bezogen auf den Anlauf- und Nennstrom ergibt.
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Ferner fließt der Laststrom, je nach Ansteuerung
der Vorrichtung, während
des Nennbetriebs im Wesentlichen über das erste Halbleiter-Schaltelement,
das mit einer im Vergleich zur Durchlassspannung des zweiten Halbleiter-Schaltelements
geringeren Durchlassspannung versehen ist, so dass die Durchlassverluste
auch in dieser Betriebsphase gering gehalten werden können, woraus
insgesamt eine günstige
Verlustleistungsbilanz durch die Synergieausnutzung beider Halbleiter-Schaltelemente resultiert.
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Geringe Durchlassverluste bzw. geringe
Verlustleistungen bedeuten eine geringe Erwärmung der Vorrichtung zum elektronischen
Schalten, so dass einerseits eine Reduzierung des notwendigen Halbleitermaterials
(Chipfläche)
bzw. eine Verkleinerung notwendiger Kühlkörper und damit auch eine Verringerung
des Bauvolumens der Vorrichtung bei gleicher Schaltleistung vorgenommen
bzw. andererseits eine Erhöhung
der Schaltleistung der Vorrichtung im Sinne einer Wirkungsgradsteigerung
bei gleichbleibender Kühlkörpergröße erzielt
werden kann.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte
Ausgestaltungen gemäß Merkmalen
der weiteren Ansprüche werden
im Folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert; darin zeigen:
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1 eine
Ausführungsvariante
der Vorrichtung zum elektronischen Schalten;
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2 eine
Ausführungsvariante
der Anordnung mit zwei bidirektional geschalteten Vorrichtungen;
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3 eine
Ausführungsvariante
der Anordnung mit mehreren, phasenparallel und/oder bidirektional
geschalteten Vorrichtungen;
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4 ein
Strom-Spannungs-Diagramm mit den Ausgangskennlinien des ersten Halbleiter-Schaltelements
und des zweiten Halbleiter-Schaltelements jeweils für sich;
und
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5 ein
weiteres Strom-Spannungs-Diagramm mit der Ausgangskennlinie der
Vorrichtung bzw. der jeweiligen Anordnung zum elektronischen Schalten.
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In 1 ist
der schaltungstechnische bzw. bauteilspezifische Aufbau einer Vorrichtung 1a zum elektronischen
Schalten eines von einer Stromquelle gespeisten bzw. versorgten
Lastelements 2 anhand einer Ausführungsvariante gezeigt, die
vorteilhafterweise unter anderem als einphasiger Gleichstromschalter
eingesetzt werden kann. Im Laststrompfad der Vorrichtung 1a kann
an einem der Zu- oder Abfluss-Anschlüsse S bzw. D (Source bzw. Drain-Ports) die
Stromquelle bzw. das Lastelement 2, insbesondere ein Motor,
angeschlossen werden.
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Die Vorrichtung 1a weist
hierbei ein erstes Halbleiter-Schaltelement 3a und
ein zu diesem laststromseitig, das heißt an jeweils vorgesehenen
bzw. im Bereich der Zu- und Abfluss-Anschlüssen S bzw. D (Source- bzw.
Drain-Ports), elektrisch parallelgeschaltetes zweites Halbleiter-Schaltelement 4a im Sinne
eines hybriden Leistungsschalters auf. Die Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a sind
je nach Anwendungsfall als Leistungs-Halbleiter ausführbar. Sowohl
das erste als auch das zweite Halbleiter-Schaltelement 3a bzw. 4a weisen
jeweils eine charakterisierende Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
K1 bzw. K2 gemäß 4 auf, mittels derer halbleiterspezifische
Verlustleistungen bestimmbar sind.
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Die Verlustleistung des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a unterscheidet
sich jedoch im Vergleich zu der Verlustleistung des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a,
derart dass die Verlustleistung des jeweils anderen Halbleiter-Schaltelements 3a bzw. 4a durch
das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a im Anlaufbetrieb
des Lastelements 2 und/oder durch das erste Halbleiter-Schaltelement 3a im
Nennbetrieb des Lastelements 2 unterschritten und dadurch
ein den Wirkungsgrad der Vorrichtung 1a im Sinne eines
verbesserten Durchlassverhaltens steigernder Effekt gegeben ist.
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Das erste Halbleiter-Schaltelement 3a ist
dabei auf Grund seiner Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K1 für den Nennbetrieb
und ggf. für
den Anlaufbetrieb des Lastelements 2 ausgelegt, wobei das zweite
Halbleiter-Schaltelement 4a durch seine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
K2 vorwiegend für
den Anlaufbetrieb des Lastelements 2 charakterisiert ist.
Das Durchlassverhalten der beiden Halbleiter-Schaltelement 3a bzw. 4a wird
also durch die zugehörige,
die Verlustleistung wiedergebende Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
K1 bzw. K2 bestimmt.
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Steuerstromseitig weisen das erste
Halbleiter-Schaltelement 3a und das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a jeweils
einen ansteuerbaren Anschluss G (Gate) auf, der hier elektrisch
zusammengeschaltet ist und dadurch eine gleichzeitige und voneinander
abhängige
Ansteuerung beider Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a gewährleistet.
Vorteilhafterweise kann dabei der Laststrom in Abhängigkeit
der Charakteristik der jeweiligen Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
im Anlaufbetrieb des Lastelements 2 über beide Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a und
im Nennbetrieb über
das erste Halbleiter-Schaltelement 3a fließen.
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Weiterhin ist in einer vorteilhaften
Ausgestaltung an dem gemeinsamen Anschluss G zumindest ein Ansteuerglied 5 vorgesehen,
das zur Ansteuerung des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a und des
zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a, insbesondere zur
potentialfreien, also sicherheitsorientierten Ansteuerung mittels
eines Optokopplers oder dergleichen dient. Selbstverständlich kann
auch eine individuelle, d.h. eine zeitlich versetzte bzw. voneinander
unabhängige
Ansteuerung der Anschlüsse
G mit eigenständigen
Ansteuergliedern vorgesehen werden, die ggf. im Sinne einer abhängigen Ansteuerung miteinander
kommunizieren. Vorteilhafterweise ist hierbei das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a vor dem
ersten Halbleiter-Schaltelement 3a mit
einer Steuerspannung an dem entsprechenden Anschluss G beaufschlagt,
wodurch eine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
K3 gemäß 5 gegeben ist, die im Anlaufbetrieb
bzw. im Nennbetrieb das Durchlassverhalten jeweils eines der beiden
Halbleiter-Schaltelemente 3a bzw. 4a bestimmt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist einerseits das erste Halbleiter-Schaltelement 3a als
Transistor, insbesondere als Siliciumcarbid-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor 6a (SiC-J-FET) mit einem dazu
elektrisch in Reihe geschalteten Transistor, insbesondere Silicium-Metalloxid-Feldeffekt-Transistors 7a (Si-MOS-FET)
bzw. Siliciumcarbid-Metalloxid-Feldeffekt-Transistor (SiC-MOS-FET), im Sinne einer
Kaskode mit einer geringen Durchlassspannung, ausgeführt. Der
Si-MOS-FET 7a weist seinerseits eine interne und zu diesem
antiparallel geschaltete, bipolare Diode D1 auf, die allgemein als Inversdiode
bzw. interne Freilaufdiode bezeichnet wird.
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Andererseits ist das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a als
Transistor, insbesondere als kostengünstiger Silicium-Isolierschicht-Bipolar-Transistor (Si-IGBT)
mit einer dazu antiparallel geschalteten Inversdiode D2 ausgeführt, die
ihrerseits ebenfalls zu dem ersten Halbleiter-Schaltelement 3a antiparallel geschaltet
ist und den Strom bei negativer Drain-Spannung am Si-IGBT vorbeiführt. Der
Si-IGBT zeichnet sich durch ein günstiges Verhältnis der Verlustleistungen
aus, welches sich aus dem Quotienten der Anlaufbetriebsverlustleistung
zu der Nennbetriebsverlustleistung ergibt. Zugleich bestimmt der Si-IGBT
bei vorgenannter Parallelschaltung mit der Kaskode die Kurzschlussfestigkeit
bzw. die thermische Kurzschlussbelastbarkeit – Strom, der von einem Halbleiter
bzw. Halbleiterverbund eine bestimmte Zeit, hier etwa 10 μs, schadensfrei
geführt
werden kann – der
Vorrichtung 1a.
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Im Hinblick auf die optimierte Verlustleistungsbilanz
während
des Anlauf- und Nennbetriebs auf Grund besagter Synergieausnutzung
kann kostenintensive Siliciumcarbid-Fläche eingespart werden. Diese
vorrichtungsökonomischen
Vorteile ergeben sich dadurch, dass der SiC-J-FET 6a lediglich hinsichtlich
seines Nennstroms bemessen werden muss und sich daraus ein Optimierungspotential
zur Verringerung der Verlustleistung bzw. der Betriebstemperatur
ergibt. Es ist demnach möglich
die Siliciumcarbid-Fläche
des SiC-J-FET 6a in etwa entsprechend dem Verhältnis von
Nennstrom zu Anlaufstrom zu verringern, so dass ein bauraum- sowie
kostensparender Aufbau der Vorrichtung 1a erzielbar ist.
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Gemäß 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsvariante
einer Anordnung mit zwei bidirektional geschalteten Vorrichtungen 1a bzw. 1b gezeigt,
die unter anderem als einphasiger Wechselstromschalter eingesetzt
werden kann. Hierbei ist zu der Vorrichtung 1a eine baugleiche
und laststromseitig elektrisch antiseriellgeschaltete, weitere Vorrichtung 1b in
Reihe zu dem Lastelement 2 gegeben. Die Vorrichtung 1b ist,
entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, an beiden Halbleiter-Schaltelementen 3b bzw. 4b ebenfalls
mit einem Anschluss G sowie mit einer Diode D1, einer Inversdiode
D2, einem SiC- J-FET 6b,
einem Si-MOS-FET 7b und einem Si-IGBT in gleicher Weise
ausgestattet.
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Zumindest das eine Ansteuerglied 5 kann hierbei
mit den entsprechenden Anschlüssen
G elektrisch leitend verbunden werden, derart dass eine gleichzeitige
und/oder voneinander abhängige
Ansteuerung der beiden Halbleiter-Schaltelemente 3b bzw. 4b respektive
der beiden Vorrichtungen 1a, 1b gegeben ist. Selbstverständlich sind
die Anschlüsse G
auch zeitlich versetzt und/oder voneinander unabhängig mit
mehreren Ansteuergliedern, insbesondere potentialfrei, ansteuerbar.
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In 3 ist
eine Ausführungsvariante
der Anordnung bzw. der Vorrichtung 1a gemäß 1 bzw. 2 mit mehreren, phasenparallel und/oder
bidirektional geschalteten Vorrichtungen gezeigt, die vorteilhafterweise
unter anderem als mehrphasiger Wechsel- bzw. Drehstromschalter eingesetzt
werden kann. Ein erster Teil der Anordnung bezieht sich dabei auf
eine Anordnung, bei der die Schaltvorrichtung 1a zusammen
mit zumindest einer baugleichen und laststromseitig elektrisch phasenparallel
geschalteten, weiteren Schaltvorrichtung 1a je Phase der Stromquelle
elektrisch verknüpft
und das in Reihe dazu angeordnete Lastelement 4 schaltbar
ist.
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Weiterhin ist eine erweiterte Anordnung
gezeigt, bei der zu den Vorrichtungen 1a – strichliert dargestellt – zusätzliche
Vorrichtungen 1b vorgesehen sind. Besagte Anordnung mit
laststromseitig elektrisch bidirektional geschalteten Vorrichtungen 1a bzw. 1b je
Phase der Stromquelle gemäß 2 dient in Verbindung mit
zumindest einer elektrisch phasenparallel geschalteten weiteren,
insbesondere baugleichen, elektrisch bidirektional geschalteten Vorrichtung 1a bzw. 1b zum
Ein- und Ausschalten des Lastelements 2.
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Bei dieser Anordnung bezieht sich
jeweils ein antiseriellgeschaltetes Vorrichtungspaar 1a, 1b auf jeweils
eine Phase einer Drehstromquelle, wobei hier ein drehstromgespeistes
Last element 2, insbesondere ein drehstromgespeister Motor,
in Abhängigkeit der
Ansteuerung des Ansteuerglieds 5 zu- bzw. abgeschaltet
werden kann. Die gezeigte Ausführungsvariante
ist in den drei Phasen gleich aufgebaut, weswegen der Aufbau mit
dem Ansteuerglied 5 hier, bezogen auf eine Phase, vereinfacht
dargestellt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante gemäß 4 verläuft die Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
K1 des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a linear und die
Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
K2 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a parabelförmig, wodurch
die Vorrichtung 1a von der Überlagerung des jeweiligen
Kennlinienverlaufs des entsprechenden Halbleiter-Schaltelements 3a bzw. 4a profitiert.
Hierbei bedingt die parabelähnliche
Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a gegenüber der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
K1 des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a bei
einem höheren Strom
im Anlaufbetrieb eine kleinere Spannung. Auf Grund des Spannungsfalls
an dem zweiten Halbleiter-Schaltelement 3a; 3b ergibt
sich ein geringes Verhältnis
der Verlustleistungen bezogen auf den Anlauf- und Nennstrom.
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In Ergänzung dazu resultiert vorteilhafterweise
aus der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K1 des ersten Halbleiter-Schaltelements 3a; 4a auf Grund
dessen geringen Durchlassspannung im Vergleich zu der Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie K2
des zweiten Halbleiter-Schaltelements 4a; 4b bei einem
kleineren Strom im Nennbetrieb ebenfalls eine kleinere Spannung,
so dass die Durchlassverluste auch in dieser Betriebsphase gering
gehalten werden können,
woraus sich insgesamt eine optimierte Verlustleistungsbilanz durch
die Synergieausnutzung beider Halbleiter-Bauelemente 3a, 3b; 4a, 4b gemäß der in 5 dargestellten Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
K3 ergibt.
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Bei den 4 und 5 handelt
es sich um Diagramme, welche unter Zugrundelegung der Arbeitspunkte
der Vorrichtung 1a bzw. der Anordnung mit den Vorrichtungen 1a, 1b in
Abhängigkeit
eines angenommenen Anlauf- und Nennstromes IA bzw.
Ie generiert sind. Die Y-Achse stellt hierbei
typischerweise die Stromachse ID und die
X-Achse die Spannungsachse UDS dar.
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Die zuvor erläuterte Erfindung kann wie folgt zusammengefasst
werden:
Um eine Vorrichtung 1a zum elektronischen
Schalten eines Lastelements, eine Anordnung der Vorrichtung sowie
eine Verwendung der Vorrichtung bzw. der Anordnung zu erzielen,
die sich sowohl im Anlaufbetrieb wie auch im Nennbetrieb eines zu
schaltenden Lastelements 2 durch eine geringe Wärmeentwicklung auszeichnen
sollen, ist hinsichtlich der Vorrichtung vorgesehen, dass neben
einem ersten Halbleiter-Schaltelement 3a mit einer bestimmbaren
Verlustleistung ein dazu laststromseitig elektrisch parallelgeschaltetes
zweites Halbleiter-Schaltelement 4a mit
einer bestimmbaren, jedoch zur Verlustleistung des ersten Halbleiter-Schaltelement 3a unterschiedlichen
Verlustleistung gegeben ist, wobei die Verlustleistung des jeweils
anderen Halbleiter-Schaltelements durch das zweite Halbleiter-Schaltelement 4a im
Anlaufbetrieb des Lastelements 2 und/oder durch das erste
Halbleiter-Schaltelement 3a im Nennbetrieb des Lastelements 2 unterschritten
ist.