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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für ein Halbleiterschaltelement
mit breitem Spalt aus SiC, GaN oder dergleichen.
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Was
die Halbleiterschaltelemente mit breitem Spalt betrifft, ziehen
Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder dergleichen die Aufmerksamkeit auf
sich. Diese Materialien haben eine Durchschlagsspannungsfestigkeit,
die ungefähr
zehn Mal so hoch wie diejenige von Si ist, und eine Driftschicht
zum Sicherstellen der Haltespannung kann auf ungefähr ein Zehntel
verdünnt
werden. Deshalb ist es möglich, eine
niedrigere Einschaltspannung für
Leistungselemente zu implementieren. Sogar in einem Bereich hoher
Haltespannung, in dem nur bipolare Elemente mit Si verwendet werden
können,
wird es deshalb möglich,
in Halbleiterelementen mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen
unipolare Elemente zu verwenden. Bei Si-IGBTs, die gegenwärtig die
Hauptrichtung von Leistungselementen bilden, gibt es eine eingebaute
Spannung von ungefähr
1 V. Bei MOSFETs und Sperrschicht-FETs (abgekürzt zu JFETs), die unipolare
Elemente aus SiC sind, können
jedoch Elemente erhalten werden, die keine eingebaute Spannung haben.
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Zusätzlich gibt
ein SiC-Substrat eine hohe Wärmeleitfähigkeit
an, und sie ist ein Leistungselement, das auch bei hohen Temperaturen
arbeiten kann. Jedoch ist es bekannt, dass die Abhängigkeit des
Einschaltwiderstands von der Temperatur bei unipolaren Elementen
groß ist. 2 zeigt
Relationen zwischen der Sperrschichttemperatur und dem Montagebereich
in verschiedenen Fällen
der Abhängigkeit
von der Temperatur. Der Verlust bei einem SiC-Leistungshalbleiter element
wird gleich der Hälfte von
demjenigen von Si eingestellt (wenn Tj = 137°C). Eine gestrichelte Linie
in 2 gibt ein Montagebereichsverhältnis in dem Fall an, in dem
der Verlust bei dem Leistungshalbleiterelement keine Abhängigkeit von
der Temperatur hat. Eine ausgezogene Linie in 2 zeigt
ein Montagebereichsverhältnis
in dem Fall an, in dem der Verlust beim Leistungshalbleiterelement
proportional zu der 2,4-ten Potenz der Temperatur zunimmt. Wenn
das Leistungshalbleiterelement, das einen Verlust hat, der nicht
von der Temperatur abhängt,
bei einer Sperrschichttemperatur von zumindest 200°C verwendet
wird, kann der Montagebereich des Leistungshalbleiterelements halbiert oder
kleiner gemacht werden. Wenn andererseits das Leistungshalbleiterelement,
das einen Verlust hat, der proportional zu der 2,4-ten Potenz der
Temperatur zunimmt, bei einer Sperrschichttemperatur von zumindest
200°C verwendet
wird, muss der Montagebereich des Leistungshalbleiterelements zumindest
60% groß gemacht
werden. Deshalb ist ein Steuerungsverfahren zum Erfassen der Temperatur des
Leistungshalbleiterelements und Senken der Abhängigkeit des Verlusts von der
Temperatur wichtig.
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Was
die Technik zum Erfassen der Temperatur des Halbleiterelements betrifft,
sind ein Verfahren unter Verwendung eines Thermistors und ein Verfahren
unter Verwendung eines Messergebnisses der Einschaltspannung einer
in einem Si-IGBT ausgebildeten Temperaturerfassungsdiode als Verfahren
bekannt, die typischerweise bei intelligenten Leistungsmodulen und
so weiter verwendet werden, sind gut bekannt. Das Verfahren unter
Verwendung der Temperaturerfassungsdiode ist in der JP-A-10-38964
offenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
der konventionellen Technik wird die Temperatur des Si-Elements
erfasst. Wenn die Elementtemperatur hoch wird, wird eine Steuerung ausgeübt, um einen
Schutzbetrieb zu verursachen, bei dem eine Halbleiterelement, wie
zum Beispiel ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), abgeschaltet wird,
oder um die Temperatur des Halbleiterelements, wie zum Beispiel
des IGBT, durch Ändern
des Tastverhältnisses
des Eingabe-PBM (Pulsbreiten-Modulations)-Signals zu senken. Jedoch
kann das Halbleiterelement mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen
auch bei hohen Temperaturen arbeiten. Bei dem Halbleiterelement
mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen ist es deshalb wichtig,
eine Steuerung auszuüben,
um die Temperatur des Leistungshalbleiterelements zu erfassen und
die Abhängigkeit des
Verlusts von der Temperatur zu senken.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Treiberschaltung bereitzustellen,
die die Abhängigkeit
des Verlusts bei dem Halbleiterelement mit breitem Spalt von der
Temperatur senkt.
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Eine
Gate-Treiberschaltung für
ein spannungsgesteuertes Leistungshalbleiter-Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet ein Leistungshalbleiter-Schaltelement, eine
Treiberschaltung zum Zuführen
eines Ansteuersignals zu einem Gate-Anschluss des Schaltelements
in Bezug auf einen Emitter-Steueranschluss oder einen Source-Steueranschluss
der Schaltvorrichtung und eine Einheit zum Erfassen einer Temperatur
der Schaltvorrichtung. Die Temperatur des Leistungshalbleiter-Schaltelements
wird erfasst, und eine Gate-Ansteuerspannung oder ein Gate-Ansteuerwiderstandswert
wird auf der Grundlage der erfassten Temperatur geändert. Insbesondere
wird die Temperatur des Leistungshalbleiter-Schaltelements erfasst, und
wenn die erfasste Temperatur hoch ist, wird die Gate-Ansteuerspannung
angehoben oder der Gate-Ansteuerwiderstandswert reduziert.
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Gemäß der Gate-Treiberschaltung
für ein Leistungshalbleiterelement
ist es möglich,
das Halbleiterelement mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen
zu veranlassen, bis zu hohen Temperaturen zu arbeiten, den Montagebereich
des Leistungshalbleiterelements klein zu machen und die Größe der Halbleitervorrichtung
klein zu machen.
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Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 ist
ein Diagramm zum Erläutern
von Relationen zwischen der Sperrschichttemperatur und dem Montagebereich
in verschiedenen Fällen
der Abhängigkeit
von der Temperatur;
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3 ist
ein Schaltdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß der ersten
Ausführungsform;
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4 ist
ein Diagramm zum Erläutern
einer Gate-Spannungswellenform in der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß der ersten Ausführungsform;
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5 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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6 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
dritten Ausführungsform;
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7 ist
ein Schaltdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß der dritten
Ausführungsform;
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8 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
vierten Ausführungsform;
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9 ist
ein Diagramm zum Erläutern
von Strom-Spannungs-Charakteristika
einer Diode zum Erfassen der Temperatur;
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10 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
fünften
Ausführungsform;
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11 ist
ein Diagramm zum Erläutern
eines Schnitts eines SiC-Sperrschicht-FETs 32 gemäß der fünften Ausführungsform;
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12 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
sechsten Ausführungsform;
und
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13 ist
ein Diagramm zum Erläutern
von Betriebswellenformen in einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß der sechsten Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden detailliert unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
ersten Ausführungsform.
Das Bezugszeichen 23 gibt eine Stromquelle mit positiver
Vorspannung für
eine Treiberschaltung 21 an, und das Bezugszeichen 24 gibt
eine Stromquelle mit negativer Vorspannung für die Treiberschaltung 21 an.
Ein in 1 gezeigtes Leistungsmodul 31 ist mit
der Treiberschaltung 21 verbunden. Bei dem Leistungsmodul 31 ist
eine Freilaufdiode 33 mit einem SiC-Sperrschicht-FET (SiC-JFET) 32,
der ein Halbleiterschaltelement mit breitem Spalt ist, parallel
geschaltet.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind ein Temperaturdetektor 11 in dem Leistungsmodul und
eine Gate-Spannungssteuerungs-/Gate-Widerstandswechselschaltung 12 vorgesehen.
Eine Antriebs-/Schutzschaltung 22 ist ebenfalls vorgesehen. Die
Temperatur des Leistungshalbleiter-Schaltelements wird erfasst.
Wenn die erfasste Temperatur höher
als eine vorbestimmte Temperatur ist, wird die Gate-Ansteuerspannung
angehoben oder der Gate-Ansteuerwiderstand reduziert.
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3 ist
ein Schaltdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform.
Das Bezugszeichen 25 gibt einen Fotokoppler an. Ein in 3 gezeigter
Thermistor 13 ist innerhalb des Leistungsmoduls angeordnet,
um die Temperatur des Leistungselements zu erfassen. Diese Schaltung
hat eine Konfiguration zum Steuern der Gate-Ansteuerspannung durch
Verwendung eines Operationsverstärkers
A1, des Thermistors 13 und eines Widerstands R6. Eine Ansteuerspannung
an einem Gate-Anschluss 36 hängt von Vcc × R6/(R6
+ Rth) ab. 4 zeigt eine Gate-Spannungswellenform
in der Treiberschaltung für
ein Leistungshalbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in 4 gezeigt, kann die Gate-Ansteuerspannung steigen,
wenn die Leistungsmodultemperatur steigt. Als Ergebnis kann der
Verlust zu dem Zeitpunkt hoher Temperaturen reduziert werden. Deshalb
ist es möglich,
das Halbleiterelement mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen
zu veranlassen, bis zu hohen Temperaturen zu arbeiten, den Montagebereich
des Leistungshalbleiterelements klein zu machen und die Größe der Halbleitervorrichtung
klein zu machen.
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(Zweite Ausführungsform)
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5 zeigt
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
Die zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in einem Halbleiterschaltelement
mit breitem Spalt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein SiC-MOSFET 37 verwendet,
wie in 5 gezeigt. Wenn der SiC-MOSFET 37 verwendet
wird, ist eine Körperdiode
eingebaut, und folglich gibt es kein Problem ohne die Freilaufdiode 33.
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Die
vorliegende Ausführungsform
stellt ein Element mit einer großen Abhängigkeit des Einschaltwiderstands
von der Temperatur mit einer sehr effektiven Steuereinheit bereit.
Unter Halbleitern mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen ist
die Einheit insbesondere für
Treiberschaltungen für
Sperrschicht-FETs (SiC-JFETs) und MOSFETs effektiv. Bei Bipolartransistoren
und IGBTs aus einem Halbleiter mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen
nimmt jedoch auch der Schaltverlust zu, wenn die Temperatur steigt.
Dementsprechend wird der Gesamtverlust (Leitungsverlust + Einschaltverlust
+ Ausschaltverlust) zum Zeitpunkt hoher Temperaturen durch Anwenden
der Schaltung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
reduziert. Deshalb ist es möglich,
das Halbleiterelement mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen
zu veranlassen, bis zu hohen Temperaturen zu arbeiten, den Montagebereich
des Leistungshalbleiterelements klein zu machen und die Größe der Halbleitervorrichtung
klein zu machen.
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Was
Halbleiter mit breitem Spalt betrifft, gibt es neben SiC GaN und
Diamant. Die Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungs form
kann auch auf diese Halbleiterelemente angewandt werden. Ferner
kann, wenn die Abhängigkeit
des Elementverlusts von der Temperatur groß ist, der Verlust zum Zeitpunkt
hoher Temperaturen durch Anwenden der vorliegenden Ausführungsform
sogar bei Halbleiterelementen aus Si oder dergleichen reduziert
werden. In der glei chen Weise wie die Halbleiter mit breitem Spalt
ist es möglich,
den Montagebereich des Leistungshalbleiterelements klein zu machen
und die Größe der Halbleitervorrichtung
klein zu machen.
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(Dritte Ausführungsform)
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6 zeigt
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
dritten Ausführungsform.
Die gleichen Komponenten wie diejenigen in der ersten Ausführungsform
sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Die vorliegende Ausführungsform
hat eine Konfiguration zum Erfassen der Temperatur des Leistungsmoduls
und Variieren des Gate-Widerstands.
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7 zeigt
ein Schaltdiagramm der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform.
Die gleichen Komponenten wie diejenigen in der ersten Ausführungsform
sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
sind Temperaturbestimmungseinrichtungen 14 vorgesehen,
wie in 7 gezeigt. Wenn die Temperatur des Elements in
dem Leistungsmodul hoch ist, dann werden in 7 gezeigte
MOSFETs eingeschaltet, um den Gate-Widerstand zu reduzieren. Zum
Zeitpunkt eines Ansteuerns bei hohen Temperaturen wird deshalb der
Gate-Widerstand reduziert, und folglich ist es möglich, die Geschwindigkeit
von di/dt und dv/dt anzuheben und den Verlust bei dem Leistungselement
zu reduzieren. Auch zum Zeitpunkt des Ausschaltens ist es möglich, beim
Ansteuern des Leistungselements zum Zeitpunkt hoher Temperaturen durch
Verwendung einer ähnlichen Konfiguration
die Geschwindigkeit von di/dt und dv/dt anzuheben und den Schaltverlust
zu reduzieren.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
schaltet ein Ausgangswert jeder Temperaturbestimmungseinrichtung 14 einen
MOSFET ein und schließt
folglich einen Widerstand kurz, wie in 7 gezeigt.
Alternativ ist auch eine mehrstufige Steuerung unter Verwendung
einer Kombination von zumindest zwei Temperaturbestimmungseinrichtungen,
MOSFETs und Widerständen
möglich.
Als Ergebnis kann der Verlust zum Zeitpunkt hoher Temperaturen reduziert werden.
Deshalb ist es möglich,
das Halbleiterelement mit breitem Spalt aus SiC oder dergleichen
zu veranlassen, bis zu hohen Temperaturen zu arbeiten, den Montagebereich
des Leistungshalbleiterelements klein zu machen und die Größe der Halbleitervorrichtung
klein zu machen.
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(Vierte Ausführungsform)
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8 zeigt
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
vierten Ausführungsform.
Die gleichen Komponenten wie diejenigen in der ersten Ausführungsform
sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. In der vorliegenden
Ausführungsform
sind eine Diode 15 zum Erfassen der Temperatur und ein Widerstand 16 zum
Erfassen des Gate-Stroms zwischen Source- und Gate-Anschlüssen des
Leistungsmoduls verbunden. Die Diode 15 und der Widerstand 16 können in
den Halbleiter mit breitem Spalt eingebaut sein oder können auf
einem unterschiedlichen Chip montiert sein. Zum genauen Messen der
Chiptemperatur ist es jedoch erwünscht,
sie in den Halbleiter mit breitem Spalt einzubauen.
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9 zeigt
Strom-Spannungs-Charakteristika der Diode 15 zum Erfassen
der Temperatur. Wenn die Temperatur steigt, dann ändern sich
die Strom-Spannungs-Charakteristika der Diode 15 zum Erfassen
der Temperatur. Wenn die Gate-Spannung konstant ist, nimmt der Anoden-Kathoden (AK)-Strom
zu. Deshalb wird der AK-Strom erfasst und die Geschwindigkeit von
di/dt und dv/dt durch eine Gate-Spannungssteuerungs-/Gate-Widerstandswechselschaltung 12 angehoben,
um den Verlust bei dem Leistungselement zu reduzieren.
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(Fünfte Ausführungsform)
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10 zeigt
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
fünften
Ausführungsform.
Die gleichen Komponenten wie diejenigen in der vierten Ausführungsform
sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
ist ein Stromwandler 17 zum Erfassen des Gate-Stroms vorgesehen.
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11 zeigt
eine Elementschnittstruktur eines SiC-Sperrschicht-FETs 32 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform.
Eine n+-Schicht 42 und eine Drain-Elektrode 45 sind
auf einer Drain-Seite eines SiC-Substrats 41 ausgebildet
und mit einem Drain-Anschluss 34 verbunden. Andererseits
sind eine n+-Schicht 43 und eine
Source-Elektrode 46 auf einer Source-Seite des SiC-Substrats 41 ausgebildet und
mit einem Source-Anschluss 35 verbunden. Zusätzlich sind
eine p+-Schicht 44 und
eine Gate-Elektrode 47 in dem SiC-Substrat 41 ausgebildet
und mit einem Gate-Anschluss 36 verbunden. Bei dieser Struktur
ist eine parasitäre
Diode zwischen dem Gate und der Source ausgebildet. Deshalb wird
durch Verwendung des Stromwandlers 17 zur Gate-Stromerfassung
der Gate-Strom erfasst und durch die Gate-Spannungssteuerungs-/Gate-Widerstandswechselschaltung 12 die
Gate-Spannung angehoben oder der Gate-Widerstand reduziert. Als
Ergebnis wird der Verlust bei dem Leistungselement reduziert.
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(Sechste Ausführungsform)
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12 ist
ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement
gemäß einer
sechsten Ausführungsform.
Die gleichen Komponenten wie diejenigen in der vierten Ausführungsform
sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
ist eine Konstantstromschaltung 18 in der Treiberschaltung 21 vorgesehen.
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13 zeigt
Betriebswellenformen in der Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement gemäß der vorliegenden
Ausführungsform.
Die Diode 15 zum Erfassen der Temperatur und der Widerstand 16 zum
Erfassen des Gate-Stroms sind zwischen Source- und Gate-Anschlüssen des
Leistungsmoduls verbunden. Die Konstantstromschaltung 18 wird
während
einer Ausschaltzeit eines PBM-Signals
in Betrieb gesetzt. Die Temperatur des Leistungselements wird durch
Messen einer Spannung am Widerstand 16 zur Gate-Stromerfassung erfasst.
Die erfasste Spannung wird zu der Gate-Spannungssteuerungs-/Gate-Widerstandswechselschaltung 12 rückgekoppelt,
um die Gate-Spannung anzuheben. Als Ergebnis kann der Verlust zum
Zeitpunkt hoher Temperaturen reduziert werden. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
ist es deshalb möglich,
das Halbleiterelement mit breitem Spalt zu veranlassen, bis zu hohen
Temperaturen zu arbeiten, den Montagebereich des Leistungshalbleiterelements
klein zu machen und die Größe der Halbleitervorrichtung klein
zu machen.
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Es
sollte weiterhin vom Fachmann verstanden werden, dass die vorhergehende
Beschreibung zwar über
Ausführungsformen
der Erfindung erfolgt ist, die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist
und verschiedene Änderungen
und Modifikationen durchgeführt
werden können,
ohne von der Idee der Erfindung und dem Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen.