CN1265541C - 反向导电的栅极整流闸流管及电源逆变器 - Google Patents

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Abstract

电源逆变器(1)包括具有多个电桥支路(5)的电桥电路(2)，在各所述电桥支路(5)中配置了一个可控制的功率半导体组件(6)。在这样的逆变器中这样避免在关闭功率半导体组件(6)时由于电感-决定的过电压的功率能力损失，可控制的功率半导体组件(6)至少在正向负载时是耐雪崩的。

Description

反向导电的栅极整流闸流管及电源逆变器
技术领域
本发明涉及到功率电子学领域。它涉及到按照本发明总概念的反向导电的GCT(栅极整流闸流管)及其应用。
背景技术
对于在电源逆变器(电源逆变器)的应用中，例如在US-A-4,545,002中已知使用反向截止的功率半导体组件，例如闸流管，GTO或者IGCT(集成的栅极整流闸流管)(说明IGCT的功能和结构例如参考HaroldM.Stillman的文章“IGCT-中等电压的百万瓦功率开关”ABB展望3(1997))。在其中不仅可以使用对称的组件而且可以使用由非对称组件和二极管的串联电路。在使用中存在的问题是，当关闭为正电压时(在GOTS和IGCT时)将一个大的过电压通过整流电感降低。然而整流电感只可以有限制地受到影响，因为整流电感是由漏感决定的。
因此在应用中过电压必须或者通过使用的半导体组件进行限制，或者通过实心的外部的线路布置降低。两种方法导致损失，这种损失限制了逆变器的功率能力。
发明内容
因此本发明的任务是，创建一种电源逆变器，这个没有已知的电源逆变器的上述缺点和特别是不会由于关闭已经存在的过电压时损害其功率能力，以及规定一种功率半导体组件用于这种电源逆变器上。
此任务是通过本发明所提出的技术方案解决的。本发明的核心在于，在逆变器的电桥支路上使用功率半导体组件，这个至少在正向负载时是耐雪崩的。因此特别放弃了考虑在逆变器中附加电路措施的必要性。有益的是使用由反向导电的GCT(栅极整流闸流管)和二极管的串联电路。
按照本发明的一种具有半导体衬底的反向导电栅极整流闸流管，该半导体衬底包括栅极整流闸流管部件和反向并联的二极管部件，该两种部件被排列成彼此旁置，其特征为，该二极管部件是这样构成的，其雪崩电压小于栅极整流闸流管部件的截止电压。
按照本发明的栅极整流闸流管的第一个有益的结构，二极管部件包括上下重叠的阴极发射层，第一个基层，和第一个阳极发射层，和将二极管的雪崩电压或者截止电压是通过将阴极发射层深层地进入半导体衬底或者第一个基层降低的。
另外的有益结构其特征为，二极管部件同样包括上下重叠的阴极发射层，第一个基层，和第一个阳极发射层，和将二极管部件的雪崩电压或者截止电压是通过将第一个阳极发射层深层地进入半导体衬底或者第一个基层降低的。
按照本发明的栅极整流闸流管另外的结构其特征为，二极管部件还是包括上下重叠的阴极发射层，第一个基层，和第一个阳极发射层，和将二极管部件的雪崩电压或者截止电压是通过减小第一个基层的电阻率降低的，其中减小第一个基层的电阻率有益的是通过中子放射造成的。
最后也有可能，将二极管部件的雪崩电压或者截止电压是通过降低在二极管部件区域上的半导体衬底的厚度造成的。
相应地，按照本发明的一种电源逆变器，包括具有多个电桥支路的电桥电路，在各所述电桥支路中配置了一个可控制的功率半导体组件，其特征为，可控制的功率半导体组件是一种如上述反向导电栅极整流闸流管。
附图说明
下面应该借助于实施例与附图详细叙述本发明。附图表示，
附图1是具有在电桥支路上栅极整流闸流管和二极管的串联电路的电源逆变器电路简图；
附图2是按照现有技术的反向导电的栅极整流闸流管的截面图；
附图3是在二极管部件上具有加深阴极发射层的按照本发明反向导电的栅极整流闸流管的第一个实施例；
附图4是在二极管部件上具有加深阳极发射层的按照本发明反向导电的栅极整流闸流管的第二个实施例；
附图5是在二极管部件的基层上具有电阻率减小的按照本发明反向导电的栅极整流闸流管的第三个实施例；
附图6是在二极管部件的半导体衬底上具有减小厚度的按照本发明反向导电的栅极整流闸流管的第四个实施例。
具体实施方式
附图1反映了电源逆变器1的电路简图。电源逆变器1包括一个电桥电路2(交流电桥电路)具有单个的电桥支路5，在其上安排了可控制的功率半导体组件，将这个由没有表示的控制器用适当的方式这样进行控制，逆变器的交流电输出端8上产生所希望频率的交流电压。电桥电路2输入端从具有相应的中间回路电感3、4的中间回路中得到直流电流。用所表示的方式在交流电输出端上安排了多个电容器9。
现在按照本发明在电桥支路5上安排了作为可控制的功率半导体组件的反向导电的栅极整流闸流管6，将这些各自与一个二极管7串联和是这样构成的，它们在正向负载时是耐雪崩的。作为栅极整流闸流管原则上是以其内部结构确定的组件为特征的，而一开始叙述的集成栅极整流闸流管是具有用特殊方式集成的门电路-控制的栅极整流闸流管。
将传统的反向导电的栅极整流闸流管内部结构表示在附图2截面图上，在其上-如也表示在下面的附图3至6上-放弃了用不同区域和层上的阴影线表示。已知的栅极整流闸流管10包括栅极整流闸流管部件GT和二极管部件DT，将这些并列地集成在半导体衬底11上。栅极整流闸流管部件GT包围着安排在中心的二极管部件DT和在其外缘上有通过边缘倒角18为特征的环绕的边缘接头22。也有可能是二极管部件DT围绕着栅极整流闸流管部件。二极管部件DT代表了反向并联的二极管，这个当栅极整流闸流管运行时在正向的极性是截止方向。二极管部件DT或者二极管在截止方向有一个确定的雪崩电压或者截止电压，当超过这些时雪崩开始击穿。栅极整流闸流管部件GT或者栅极整流闸流管同样有一个截止电压，这个等于边缘接头22的截止电压。
栅极整流闸流管部件GT和二极管部件DT各自有不同导电性的和载流子浓度的层或者区域的确定顺序，这些例如是将其他材料用掩膜扩散到半导体衬底11上产生的。在二极管部件DT上安排了(从阴极至阳极)上下重叠的n+-掺杂的阴极发射层16，n--掺杂的第一个基层19′和p-掺杂的第一个阳极发射层13。在栅极整流闸流管部件GT上安排了(从阳极至阴极)上下重叠的p+-掺杂的第二个阳极发射层15，n-掺杂的停止层14，n--掺杂的第二个基层19，p-掺杂的第三个基层12和在其上分布了单个的n+-掺杂的阴极发射层17。第二个基层19和第一个基层19′是半导体衬底11同样的n--掺杂的基层材料部件。将栅极整流闸流管部件GT的第三个基层12和二极管部件DT的阳极发射层13大约同样深地扩散到半导体衬底11中。将栅极整流闸流管部件GT的停止层14也穿过二极管部件DT和覆盖在那里的阴极发射层16上。
从反向导电的栅极整流闸流管的这些已知结构出发现在按照本发明将集成二极管的(在二极管部件DT中)雪崩电压通过适当的措施降低到栅极整流闸流管的边缘接头22的截止电压以下。这可以单个地用不同的方法实现，如下面借助于附图3至6叙述的。
按照附图3在反向导电的栅极整流闸流管20上降低二极管的雪崩电压或者截止电压是这样达到的，在二极管部件上将阴极发射层16′比较深地进入半导体衬底11或者第一个基层19′中，特别显著地超过停止层14。
按照附图4在反向导电的栅极整流闸流管30上降低二极管的雪崩电压或者截止电压是这样达到的，将在二极管部件中的第一个阳极发射层13′比栅极整流闸流管的第三个基层12更深地进入到半导体衬底11或者第一个基层19′中。
按照附图5在反向导电的栅极整流闸流管40上降低二极管的雪崩电压或者截止电压是这样达到的，将在二极管部件中的第一个基层19′的电阻率降低。这是这样达到的，通过事后的中子放射在这个层上产生一个放射区21。
按照附图6在反向导电的栅极整流闸流管50上最后降低二极管的雪崩电压或者截止电压是这样达到的，将在二极管部件中的半导体衬底11的厚度相对于栅极整流闸流管-部件减小到一个减小的厚度Dr。
参考符号表
1    电源逆变器
2    电桥电路
3，4 中间回路电感
5    电桥支路
6    栅极整流闸流管
7    二极管
8    交流电源输出端
9    电容器
10，20，30，40，50    栅极整流闸流管(反向导电的)
11      半导体衬底
12      基层(p-掺杂的)
13，13′阳极发射层(二极管；p-掺杂的)
14      停止层(n-掺杂的)
15      阳极发射层(栅极整流闸流管；p+-掺杂的)
16，16′阴极发射层(二极管；n+-掺杂的)
17      阴极发射层(栅极整流闸流管；n+-掺杂的)
18      边缘倒角
19，19′基层(n--掺杂的)
21      放射区
22      边缘接头
GT      栅极整流闸流管部件
DE      二极管部件

Claims (9)

1.一种具有半导体衬底(11)的反向导电栅极整流闸流管(20，30，40，50)，该半导体衬底(11)包括栅极整流闸流管部件和反向并联的二极管部件，该两种部件被排列成彼此旁置，其特征为，
该二极管部件是这样构成的，其雪崩电压小于栅极整流闸流管部件的截止电压。
2.按照权利要求1的反向导电栅极整流闸流管，其特征为，
栅极整流闸流管部件同心地围绕着二极管部件，所述栅极整流闸流管部件有一个边缘接头(22)，且栅极整流闸流管部件的截止电压等于边缘接头(22)的截止电压。
3.按照权利要求1的反向导电栅极整流闸流管，其特征为，
二极管部件包括依次层叠的阴极发射层(16′)、第一个基层(19′)和第一个阳极发射层(13)，
栅极整流闸流管部件包括依次层叠的第二个阳极发射层(15)、停止层(14)、第二个基层(19)、第三个基层(12)和若干阴极发射层(17)，该若干阴极发射层(17)单独排列在第三个基层(12)之上，其中第二个基层(19)被配置成与第一个基层(19′)相邻，且阴极发射层(16′)进入到第一个基层(19′)比停止层(14)进入到第一个基层(19′)更深。
4.按照权利要求1的反向导电栅极整流闸流管，其特征为，
二极管部件包括依次层叠的阴极发射层(16′)、第一个基层(19′)，和第一个阳极发射层(13′)，
栅极整流闸流管部件包括依次层叠的第二个阳极发射层(15)、停止层(14)、第二个基层(19)、第三个基层(12)和若干阴极发射层(17)，该若干阴极发射层(17)单独排列在第三个基层(12)之上，其中第二个基层(19)被配置成与第一个基层(19′)相邻，且第一个阳极发射层(13′)进入到第一个基层(19′)比第三个基层(12)进入到第二个基层(19)更深。
5.按照权利要求1的反向导电栅极整流闸流管，其特征为，
二极管部件包括依次层叠的阴极发射层(16′)、第一个基层(19′)，和第一个阳极发射层(13′)，
栅极整流闸流管部件包括依次层叠的第二个阳极发射层(15)、停止层(14)、第二个基层(19)、第三个基层(12)和单独排列在第三个基层(12)之上的若干阴极发射层(17)，第二个基层(19)被配置成与第一个基层(19′)相邻，且第一个基层(19′)的电阻率比第二个基层(19)的电阻率要小。
6.按照权利要求5的反向导电栅极整流闸流管，其特征为，
在第一个基层(19′)进行中子放射，使得第一个基层(19′)的电阻率比第二个基层(19)的电阻率要小。
7.按照权利要求1的反向导电栅极整流闸流管，其特征为，
二极管部件包括依次层叠的阴极发射层(16′)、第一个基层(19′)，和第一个阳极发射层(13′)，且
半导体衬底(11)的二极管部件的厚度比半导体衬底(11)的栅极整流闸流管部件的厚度要小。
8.电源逆变器(1)，包括具有多个电桥支路(5)的电桥电路(2)，在各所述电桥支路(5)中配置了一个可控制的功率半导体组件(6)，其特征为，
可控制的功率半导体组件(6)是一种如权利要求1的反向导电栅极整流闸流管(20，30，40，50)。
9.按照权利要求8的电源逆变器，其特征在于，该反向导电栅极整流闸流管(20，30，40，50)与二极管串联连接。
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