DE102005025454A1

DE102005025454A1 - Circuit arrangement use in e.g. thyristor controlled rectifier, has power thyristor with unwired control connection for supplying igniting signal, where control connection of power thyristor is not led out from housing of power thyristor

Info

Publication number: DE102005025454A1
Application number: DE200510025454
Authority: DE
Inventors: Uwe Kellner-Werdehausen; Richard Keller; Jens Przybilla; Carsten Schneider
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-07

Abstract

The arrangement has a power thyristor (21, 22) with unwired control connection for supplying an igniting signal, where the control connection is not led out from housing of the thyristor. The series connection of the thyristor with another power thyristor (11, 12) is switched parallel to an alternating current voltage source or direct current voltage source. The thyristor (21, 22) has a breakdown structure with given breakdown voltage. An independent claim is also included for a method for igniting a circuit arrangement.

Description

Schaltungsanordnung mit einem Leistungsthyristor und Verfahren zum Zünden einer Schaltungsanordnung. Solche Leistungsthyristoren weisen einen Steueranschluss auf, dem zum Zünden des Thyristors ein Steuersignal zugeführt wird.circuitry with a power thyristor and method of igniting a circuit. Such power thyristors have a control terminal, the to ignite the thyristor, a control signal is supplied.

Bei derartigen Steuersignalen handelt es sich entweder um ein elektrisches Signal, das einem Gate-Anschluss des Thyristors zugeführt wird, oder um ein Lichtsignal, das – in der Regel über einen Lichtleiter – einem lichtempfindlichen Bereich des Halbleiters des Thyristors zugeführt wird.at such control signals are either electrical Signal supplied to a gate terminal of the thyristor, or a light signal that - in usually over a light guide - a light-sensitive region of the semiconductor of the thyristor is supplied.

1 zeigt eine Reihenschaltung gemäß dem Stand der Technik mit mehreren Thyristoren 11, 12, 13, 14, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Parallel zu der Reihenschaltung ist ein Kondensator 20 mit einer Kapazität C geschaltet, an dem eine Spannung U_C anliegt. Durch nicht näher dargestellte äußere Schaltungsmaßnahmen kann die Spannung U_C des Kondensators 20 auf einen Wert steigen, der höher ist als die höchstzulässige Spannungsbeanspruchung des Kondensators 20. Um den Kondensator 20 gegen derart unerwünscht hohe Spannungen zu schützen, können die Thyristoren 11, 12, 13, 14 gezündet werden. 1 shows a series circuit according to the prior art with a plurality of thyristors 11 . 12 . 13 . 14 which are electrically connected in series. Parallel to the series connection is a capacitor 20 connected with a capacitance C, to which a voltage U _C is applied. By not shown external circuit measures, the voltage U _{C of} the capacitor 20 increase to a value which is higher than the maximum voltage stress of the capacitor 20 , To the capacitor 20 To protect against such undesirable high voltages, the thyristors 11 . 12 . 13 . 14 to be detonated.

Durch die Reihenschaltung der Thyristoren 11, 12, 13, 14 können höhere zu schaltende Spannungen erreicht werden als mit einem einzelnen Thyristor. Allerdings sind zur Ansteuerung dieser Thyristoren Steuereinheiten 81, 82, 83, 84 erforderlich, die jeweils ein geeignetes Steuersignal erzeugen, das den Steueranschlüssen 111, 121, 131, 141 der betreffenden Thyristoren 11, 12, 13, 14 zugeführt wird. Die Steuersignale können auch von einer gemeinsamen Quelle über geeignete Ver teiler den Steueranschlüsse 111, 121, 131, 141 zugeführt werden.By the series connection of the thyristors 11 . 12 . 13 . 14 higher voltages to be switched can be achieved than with a single thyristor. However, to control these thyristors are control units 81 . 82 . 83 . 84 required, each generating a suitable control signal, the control terminals 111 . 121 . 131 . 141 the relevant thyristors 11 . 12 . 13 . 14 is supplied. The control signals can also divide the control terminals from a common source via suitable distributors 111 . 121 . 131 . 141 be supplied.

In Folge der üblicherweise in der Leistungselektronik hohen zu schaltenden Spannungen ist es erforderlich, wenigstens bei einigen der Steuereinheiten 81, 82, 83, 84 Potenzialtrennstellen vorzusehen, um diese mit einer nicht dargestellten Kleinsignalelektronik gemeinsam ansteuern zu können. Eine derartige Schaltungsanordnung ist damit in der Herstellung teuer und aufwendig. Daher wird die Potentialtrennung mittels Lichtleiter durchgeführt. Dieser Lichtleiter dient auch als Signalstrecke für das Steuersignal.As a result of the usually in power electronics high voltages to be switched, it is necessary, at least in some of the control units 81 . 82 . 83 . 84 Provide potential isolation points in order to control these together with a small signal electronics, not shown together. Such a circuit arrangement is therefore expensive to manufacture and expensive. Therefore, the potential separation is performed by means of optical fibers. This light guide also serves as a signal path for the control signal.

Zum Überspannungsschutz können Thyristoren mit einer Durchbruchsstruktur eingesetzt werden. Ein solcher Thyristor mit Durchbruchstruktur ist in 2 ausschnittweise dargestellt. Der im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Achse A-A ausgebildete Thyristor weist näherungsweise die Form einer Kreisscheibe auf.For overvoltage protection thyristors can be used with a breakdown structure. Such a thyristor with breakdown structure is in 2 shown in sections. The thyristor formed substantially rotationally symmetrical to an axis AA has approximately the shape of a circular disk.

Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper 100, in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter 8, eine sich an den p-dotierten Emitter anschließende n-dotierte Basis 7, eine sich an die n-dotierte Basis anschließende p-dotierte Basis 6 und ein n-dotierter Emitter 5, der in die p-dotierte Basis 6 eingebettet ist, angeordnet sind.The thyristor comprises a semiconductor body 100 in which successively a p-doped emitter 8th , an n-doped base adjoining the p-doped emitter 7 , a p-doped base following the n-doped base 6 and an n-doped emitter 5 who is in the p-doped base 6 embedded, are arranged.

Im zentralen Bereich des Bauelements ist eine als BOD-Struktur ausgebildete Durchbruchsstruktur 10 vorhanden, die dadurch gebildet ist, dass sich die n-dotierte Basis 7 in einem Bereich 71 weiter als in den übrigen Bereichen bis an die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 erstreckt und in dem benachbart zu diesem Bereich 71 gekrümmte Abschnitte 61, 62 der p-dotierten Basis 6 gebildet sind.In the central region of the component is formed as a BOD structure breakdown structure 10 present, which is formed by the n-doped base 7 in one area 71 further than in the other areas to the front 101 of the semiconductor body 100 extends and in the adjacent to this area 71 curved sections 61 . 62 the p-doped base 6 are formed.

Im Bereich der gekrümmten Abschnitte 61, 62 ist die Feldstärke bei Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung, bei der der pn-Übergang zwischen der n-Basis und der p-Basis gesperrt ist, gegenüber der Feldstärke in übrigen Bereichen des Bauelements erhöht, wodurch der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs in dem Bauelement auf den Ort der Durchbruchstruktur 10 festgelegt ist.In the area of curved sections 61 . 62 For example, if the field strength in the forward direction in which the pn junction between the n-base and the p-base is blocked increases compared with the field strength in other areas of the device, the field of the first voltage breakdown in the device on the Location of the breakthrough structure 10 is fixed.

Vorzugsweise ist zwischen den gekrümmten Abschnitten 61 und 62 der p-dotierten Basis 6 und den sich daran anschließenden Abschnitten der p-dotierten Basis 6 noch eine schwächer p-dotierte Zone 63 vorhanden.Preferably, between the curved sections 61 and 62 the p-doped base 6 and the subsequent sections of the p-doped base 6 still a weaker p-doped zone 63 available.

Die BOD-Durchbruchstruktur 10 definiert die Spannungsfestigkeit des Bauelements in Vorwärtsrichtung, wobei der Thyristor zündet, wenn eine am Thyristor anliegende Vorwärtsspannung eine bestimmte Durchbruchspannung U_BO übersteigt.The BOD breakthrough structure 10 defines the withstand voltage of the device in the forward direction, wherein the thyristor ignites when a voltage applied to the thyristor forward voltage exceeds a certain breakdown voltage U _BO .

Die Durchbruchspannung U_BO kann beim Design des Thyristors, beispielsweise den Verlauf, vor allem durch die Krümmung, des pn-Übergangs zwischen der n-dotierten Basis 7 und der p-dotierten Basis 6 im Bereich der BOD-Durchbruchstruktur 10 eingestellt werden.The breakdown voltage U _BO in the design of the thyristor, for example, the course, especially by the curvature of the pn junction between the n-doped base 7 and the p-doped base 6 in the area of the BOD breakthrough structure 10 be set.

Darüber hinaus ist eine Anpassung der Durchbruchspannung U_BO auch nachträglich durch Einbringen – vorzugsweise durch Einstrahlen – donator- oder akzeptorartiger Zustände erzeugender Teilchen in den Bereich der Durchbruchstruktur möglich. Beispielsweise können durch eine Implantation von Heliumionen akzeptorartige Zustände erzeugt und die Durchbruchspannung U_BO auch angehoben werden. Durch eine Implantation von Protonen können donatorartige Zustände erzeugt und die Durchbruchspannung U_BO auch abgesenkt werden.In addition, an adaptation of the breakdown voltage U _{BO is} also possible later by introducing - preferably by irradiation - donator- or acceptor-like states generating particles in the region of the breakdown structure. For example, by implantation of helium ions, acceptor-like states can be generated and the breakdown voltage U _{BO can} also be raised. By implanting protons, donor-like states can be generated and the breakdown voltage U _{BO can} also be lowered.

Optional sind neben dem Hauptemitter 5 ein oder mehrere n-dotierte Zündstufenemitter 51 vorgesehen. 2 zeigt mehrere solcher Zündstufenemitter 51, die in einer lateralen Richtung r beabstandet zueinander zwischen dem Zentralbereich mit der BOD-Struktur 10 und dem Hauptemitter 5 angeordnet sind. Jeder dieser Zündstufenemitter 51 ist durch eine Elektrode 91 kontaktiert, die den Zündstufenemitter 51 und die umliegende p-dotierte Basis 6 mit der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 kurzschließt.Optional are next to the main emitter 5 one or more n-doped firing stage emitters 51 intended. 2 shows several such ignition stages ter 51 spaced apart in a lateral direction r between the central region and the BOD structure 10 and the main emitter 5 are arranged. Each of these ignition stage emitters 51 is through an electrode 91 contacted who the Zündstufenemitter 51 and the surrounding p-doped base 6 with the front 101 of the semiconductor body 100 shorts.

Die optionalen Zündstufenemitter 51 mit den Elektroden 91 bilden zusammen mit den darunter liegenden Abschnitten der p-dotierten Basis 6, der n-dotierten Basis 7, dem p-dotierten Emitter 8 Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4, AG5, die auch als Amplifying-Gate-Strukturen bezeichnet werden.The optional ignition stage emitter 51 with the electrodes 91 form together with the underlying sections of the p-doped base 6 , the n-doped base 7 , the p-doped emitter 8th Ignition stages AG1, AG2, AG3, AG4, AG5, which are also referred to as amplifying gate structures.

Zur Begrenzung des beim Zündvorgang radial nach außen in Richtung des Hauptemitters 5 fließenden Zündstromes ist vorzugsweise eine Widerstandszone 64 mit erhöhtem spezifischem Widerstand zwischen zwei der Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4, AG5 vorgesehen.To limit the radially outward in the direction of the main emitter during the ignition process 5 flowing ignition current is preferably a resistance zone 64 with increased resistivity between two of the ignition stages AG1, AG2, AG3, AG4, AG5 provided.

Die Durchbruchspannung U_BO des Thyristors in Vorwärtsrichtung ist bestimmt durch die Geometrie der p-dotierten Basis 6 und der n-dotierten Basis 7 im Bereich der BOD-Durchbruchstruktur 10 sowie durch die Dotierungskonzentration im Bereich der p-dotierten Basis 6 und der n-dotierten Basis 7 im Bereich der BOD-Durchbruchstruktur 10 und kann bei der Herstellung des Thyristors durch geeignete Maßnahmen eingestellt werden.The breakdown voltage U _{BO of} the thyristor in the forward direction is determined by the geometry of the p-doped base 6 and the n-doped base 7 in the area of the BOD breakthrough structure 10 and by the doping concentration in the region of the p-doped base 6 and the n-doped base 7 in the area of the BOD breakthrough structure 10 and can be adjusted in the manufacture of the thyristor by appropriate measures.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung mit Thyristoren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine vereinfachte Ansteuerung aufweist.The The object of the invention is a circuit arrangement with To provide thyristors of the type mentioned, a has simplified control.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Ansprüchen 1 und 7, durch ein Verfahren zum Zünden einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 5 sowie die durch Verwendungen einer Durchbruchstruktur gemäß den Ansprüchen 8 und 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.These The object is achieved by a circuit arrangement according to claims 1 and 7, by a method to ignite a circuit arrangement according to claim 5 as well as by using a breakthrough structure according to claims 8 and 9 solved. Preferred embodiments and further developments of the invention are the subject of dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigenThe Invention will be described below with reference to preferred embodiments with reference to figures closer described. In the figures show

1 eine Reihenschaltung von Thyristoren gemäß dem Stand der Technik, bei der jeder Thyristor mittels eines Ansteuersignals gezündet wird, 1 a series circuit of thyristors according to the prior art, in which each thyristor is ignited by means of a drive signal,

2 einen Querschnitt durch einen Thyristor mit Durchbruchstruktur gemäß dem Stand der Technik, 2 a cross section through a thyristor with breakthrough structure according to the prior art,

3 eine erfindungsgemäße Reihenschaltung von Thyristoren, bei der nur einige der Thyristoren mittels einer Ansteuerschaltung gezündet werden, 3 a series arrangement of thyristors according to the invention, in which only some of the thyristors are ignited by means of a drive circuit,

4 eine erfindungsgemäße Reihenschaltung von Thyristoren, bei der nur ein einziger Thyristoren mittels einer Ansteuerschaltung gezündet wird, 4 a series connection of thyristors according to the invention, in which only a single thyristor is ignited by means of a drive circuit,

5 eine erfindungsgemäße Reihenschaltung von Thyristoren, bei der keiner der Thyristoren mittels einer Ansteuerschaltung gezündet wird, und 5 a series connection of thyristors according to the invention, in which none of the thyristors is ignited by means of a drive circuit, and

6 zwei Thyristor-Reihenschaltungen gemäß 4, die antiparallel zueinander geschaltet sind. 6 two thyristor series circuits according to 4 which are connected in anti-parallel to each other.

3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Anzahl in Reihe geschalteter Thyristoren 11, 21, 12, 22. Parallel zu der Reihenschaltung ist ein Kondensator 20 angeordnet, der eine Kapazität C aufweist und an dem eine Spannung U_C anliegt. 3 shows a circuit arrangement according to the invention with a number of series connected thyristors 11 . 21 . 12 . 22 , Parallel to the series connection is a capacitor 20 arranged, which has a capacitance C and to which a voltage U _C is applied.

Die Thyristoren 11, 12 weisen Steueranschlüsse 111, 121 auf, die aus den symbolisch dargestellten Gehäusen 41 bzw. 42 der Thyristoren 11 bzw. 12 ausgeführt sind.The thyristors 11 . 12 have control connections 111 . 121 on, from the symbolically represented housings 41 respectively. 42 the thyristors 11 respectively. 12 are executed.

Bei dieser und allen anderen Figuren sind in den Schaltungen elektrische Steueranschlüsse dargestellt. Anstelle dieser elektrischen Steueranschlüsse können einzelne oder alle Thyristoren auch einen Steueranschluss aufweisen, der als Lichtzuführung, z.B. als Lichtleitfaser, ausgebildet ist.at this and all other figures are electrical in the circuits control connections shown. Instead of these electrical control connections, individual or all thyristors also have a control terminal, the as a light feed, e.g. as an optical fiber is formed.

An die Steueranschlüsse 111, 121 sind Steuereinheiten 81 bzw. 82 angeschlossen, die den betreffenden Thyristoren 11 bzw. 22 je nach deren Ausgestaltung elektrische oder optische Steuersignale wie Licht, insbesondere Infrarotlicht, zuführen, um die Thyristoren 11 bzw. 12 zu zünden.To the control terminals 111 . 121 are tax units 81 respectively. 82 connected to the respective thyristors 11 respectively. 22 depending on their design electrical or optical control signals such as light, in particular infrared light, supply to the thyristors 11 respectively. 12 to ignite.

Des weiteren weist die Reihenschaltung Thyristoren 21, 22 mit jeweils einer Durchbruchstruktur auf. Eine solche Durchbruchstruktur bewirkt das Zünden des betreffenden Thyristors 21, 22, sobald eine in Vorwärtsrichtung an der Laststrecke des Thyristors anliegende Spannung eine vorgegebene Durchbruchspannung überschreitet. Die Durchbruchstruktur solcher Thyristoren 21, 22 kann beispielsweise entsprechend der in 2 dargestellten Durchbruchstruktur 10 ausgebildet sein.Furthermore, the series circuit has thyristors 21 . 22 each with a breakthrough structure on. Such a breakdown structure causes the ignition of the relevant thyristor 21 . 22 as soon as a voltage applied in the forward direction on the load path of the thyristor exceeds a predetermined breakdown voltage. The breakdown structure of such thyristors 21 . 22 For example, according to the in 2 illustrated breakthrough structure 10 be educated.

Die Steueranschlüsse 211 bzw. 221 sind nicht beschaltet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Steueranschlüsse 211, 221 nicht aus den Gehäusen 31 bzw. 32 der betreffenden Thyristoren 21 bzw. 22 herausgeführt. Hierdurch können vereinfachte Gehäuse 31 bzw. 32, beispielsweise Standard-Diodenkapseln für Leistungsdioden, verwendet werden, da sich eine in der Herstellung aufwendige Durchführung des Steueranschlusses, beispielsweise eines elektrischen Gateanschlusses oder eines Lichtleiters, durch das Gehäuse 31 bzw. 32 erübrigt. Alternativ kann auch darauf verzichtet werden, die Thyristoren 21, 22 mit Steueranschlüssen 211 bzw. 221 zu versehen.The control connections 211 respectively. 221 are not connected. According to a preferred Ausfüh Form of the invention are the control terminals 211 . 221 not from the cases 31 respectively. 32 the relevant thyristors 21 respectively. 22 led out. This allows simplified housing 31 respectively. 32 , For example, standard diode capsules for power diodes, are used, as a consuming in the production implementation of the control terminal, such as an electrical gate terminal or a light guide through the housing 31 respectively. 32 unnecessary. Alternatively, it can be dispensed with, the thyristors 21 . 22 with control connections 211 respectively. 221 to provide.

Sind alle Thyristoren 11, 21, 12, 22 der Reihenschaltung gesperrt, so verteilt sich die an der Reihenschaltung anliegen de Spannung U_C auf alle Thyristoren 11, 21, 12, 22 der Reihenschaltung.Are all thyristors 11 . 21 . 12 . 22 the series circuit is blocked, then distributed to the series circuit de voltage U _{C distributed} to all thyristors 11 . 21 . 12 . 22 the series connection.

Da sich eine derartige Reihenschaltung von Thyristoren vor allem bei sehr hohen zu schaltenden Spannungen U_C empfiehlt, fällt über jeden der Thyristoren 11, 21, 12, 22 eine nicht unerhebliche Spannung ab. Werden einer oder mehrere Thyristoren 11, 12 der Reihenschaltung mittels Steuersignalen ihrer Steuereinheiten 81, 82 über ihre Steueranschlüsse 111, 121 gezündet, so verteilt sich die an der Reihenschaltung anliegende Spannung U_C im Wesentlichen auf die verbleibenden, noch nicht gezündeten Thyristoren 21, 22 der Reihenschaltung.Since such a series connection of thyristors is recommended especially at very high voltages to be switched U _C , falls over each of the thyristors 11 . 21 . 12 . 22 a not insignificant tension. Become one or more thyristors 11 . 12 the series connection by means of control signals of their control units 81 . 82 about their control connections 111 . 121 ignited, so applied to the series circuit voltage U _C is distributed substantially to the remaining, not yet fired thyristors 21 . 22 the series connection.

Dies bewirkt bei den nicht gezündeten Thyristoren 21, 22 einen Anstieg der an ihnen abfallenden Spannung im Vergleich zu dem Zustand, in dem alle Thyristoren 11, 21, 12, 22 der Reihenschaltung gesperrt sind. Hierdurch kann es bei einem oder mehreren der Thyristoren 21, 22, bei denen keine externe Ansteuerung über einen Steueranschluss 211, 221 vorgesehen ist, dazu kommen, dass die über den betreffenden Thyristoren 21, 22 jeweils abfallende Spannung deren jeweilige Durchbruchspannung übersteigt, so dass diese Thyristoren 21 bzw. 22 zünden.This causes the unillustrated thyristors 21 . 22 an increase in the voltage drop across them as compared to the state in which all the thyristors 11 . 21 . 12 . 22 the series circuit are disabled. This may result in one or more of the thyristors 21 . 22 in which no external control via a control connection 211 . 221 is provided, come to that over the relevant thyristors 21 . 22 each falling voltage whose respective breakdown voltage exceeds, so that these thyristors 21 respectively. 22 ignite.

Bei einer geeigneten Einstellung der Durchbruchspannungen insbesondere der Thyristoren 21, 22 der Reihenschaltung, die nicht extern über einen Steueranschluss angesteuert werden, kann somit ein gezieltes Zünden durch Zünden eines oder mehrerer anderer Thyristoren 11, 12 der Reihenschaltung mittels externer Steuereinheiten 81, 82 bewirkt werden.With a suitable adjustment of the breakdown voltages, in particular of the thyristors 21 . 22 The series connection, which are not externally controlled via a control terminal, thus can be a targeted ignition by igniting one or more other thyristors 11 . 12 the series connection by means of external control units 81 . 82 be effected.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist daher wenigstens zwei Thyristoren auf, deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind, wobei wenigstens ein erster Thyristor einen Steueranschluss aufweist und wobei wenigstens ein weiterer Thyristor eine Durchbruchstruktur mit einer vorgegebenen Durchbruchspannung aufweist. Zumindest einer der Thyristoren mit Durchbruchstruktur weist entweder keinen oder einen nicht beschalteten Steueranschluss zur Zuführung eines Zündsignals auf.A inventive circuit arrangement Therefore, has at least two thyristors whose load paths are connected in series, wherein at least a first thyristor has a control terminal and wherein at least one further thyristor a breakdown structure with a predetermined breakdown voltage having. At least one of the thyristors with breakdown structure indicates either no or unconnected control port to the feeder an ignition signal on.

Ein erfindungsgemäßes Zünden der Reihenschaltung kann dann erreicht werden, wenn die an der Reihenschaltung der Thyristoren 11, 21, 12, 22 anliegende Spannung U_C größer ist als die Summe der Durchbruchspannungen von den Thyristoren 21, 22 der Reihenschaltung, die nicht mittels einer Steuereinheit angesteuert werden.An ignition of the series connection according to the invention can then be achieved if those connected to the series connection of the thyristors 11 . 21 . 12 . 22 applied voltage U _{C is} greater than the sum of the breakdown voltages of the thyristors 21 . 22 the series connection, which are not controlled by a control unit.

Insbesondere wenn es sich bei der an der Reihenschaltung der Thyristoren anliegenden Spannung um eine Gleichspannung handelt, kann es vorteilhaft sein, die Durchbruchspannung U_BO bei jedem der ersten und zweiten Leistungsthyristoren 11, 12, 21, 22, der eine Durchbruchsstruktur aufweist, zwischen 45% und 65% der Sperrspannung des jeweiligen Leistungsthyristors zu wählen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Schutzzündschwelle der gesamten Reihenschaltung nicht zu hoch wird und dass keine durch Höhenstrahlung verursachten Probleme auftreten.In particular, if the voltage applied to the series connection of the thyristors is a DC voltage, it may be advantageous to set the breakdown voltage U _BO in each of the first and second power thyristors 11 . 12 . 21 . 22 having a breakdown structure to select between 45% and 65% of the reverse voltage of the respective power thyristor. In this way it can be ensured that the protection ignition threshold of the entire series connection does not become too high and that no problems caused by cosmic radiation occur.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt 4. Die Schaltungsanordnung umfasst lediglich einen einzigen Thyristor 11, dessen Steueranschluss 111 mittels einer Steuereinheit 81 angesteuert wird. Alle anderen Thyristoren 21, 22, 23 der Reihenschaltung weisen entweder einen Steueranschluss 211, 221, 231 auf, der nicht beschaltet ist, oder nicht aus dem Gehäuse 31, 32, 33 des betreffenden Thyristors 21, 22, 23 herausgeführt ist oder überhaupt keinen derartigen Steueranschluss auf. Allerdings weist jeder der Thyristoren 21, 22, 23 eine Durchbruchstruktur mit geeignet gewählten Durchbruchspannungen auf, so dass es durch Zünden des einzigen mittels einer Steuerschaltung 81 gezündeten Thyristors 11 zu einem Zünden der gesamten Reihenschaltung kommt.A particularly advantageous embodiment of a circuit arrangement according to the invention shows 4 , The circuit arrangement comprises only a single thyristor 11 , whose control terminal 111 by means of a control unit 81 is controlled. All other thyristors 21 . 22 . 23 the series connection either have a control connection 211 . 221 . 231 on, which is not connected, or not from the housing 31 . 32 . 33 the relevant thyristor 21 . 22 . 23 led out or no such control terminal at all. However, each of the thyristors exhibits 21 . 22 . 23 a breakdown structure with suitably selected breakdown voltages, such that it is ignited by firing the single one by means of a control circuit 81 ignited thyristor 11 comes to an ignition of the entire series connection.

Ein besonderer Vorteil besteht insbesondere darin, dass bei einer geeigneten Wahl des Bezugspotenzials für die Steuerschaltung 81 keine Potenzialtrennstelle in der Ansteuereinheit 81 vorgesehen werden muss.A particular advantage is in particular that with a suitable choice of the reference potential for the control circuit 81 no potential isolation point in the control unit 81 must be provided.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann damit nicht nur als Überspannungsschutz, sondern gezielt zum Schalten von Leistung, beispielsweise bei Umrichtern oder Motoransteuerungen, eingesetzt werden.A inventive circuit arrangement can not only be used as surge protection, but specifically for switching power, for example in converters or motor controls, are used.

Weitere Anwendungen, bei denen erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen verwendet werden können, sind beispielsweise thyristorgesteuerte Gleichrichter (TTR), thyristorgeschützte Serienkapazitäten (TPSCs), schnelle Halbleiterschalter für Hochspannungs-Kurzschließer (Crowbars), Testsysteme zur Fehlersuche in verlegten Hochspannungskabeln, elektromagnetische Beschleunigung oder elektromagnetische Verformung.Further applications in which circuit arrangements according to the invention can be used are, for example, thyristor-controlled rectifiers (TTR), thyristor-protected series capacitors (TPSCs), fast semiconductor switches for high-voltage short-circuiters (crowbars), test systems for troubleshooting high-voltage installations cables, electromagnetic acceleration or electromagnetic deformation.

Wie in 5 dargestellt ist, können bei bestimmten Anwendungen Reihenschaltungen mit Thyristoren eingesetzt werden, von denen jeder eine Durchbruchstruktur aufweist, von denen jedoch keiner über einen Steuereingang 211, 221, 231, 241 angesteuert wird. Die Reihenschaltung zündet dann, wenn die Summe der Durchbruchspannungen aller Thyristoren der Reihenschaltung kleiner ist als die an der Reihenschaltung anliegende Spannung U_C.As in 5 In some applications, thyristor series circuits can be used, each having a breakdown structure, but none of which has a control input 211 . 221 . 231 . 241 is controlled. The series circuit ignites when the sum of the breakdown voltages of all thyristors of the series circuit is smaller than the voltage applied to the series circuit voltage U _C.

6 zeigt eine Anordnung, bei der zwei Reihenschaltungen gemäß 4 antiparallel zueinander geschaltet sind. Eine solche Anordnung empfiehlt sich insbesondere dann, wenn die zu schaltende Spannung U_W einen Wechselspannung ist, wie dies beispielsweise bei der Blindleistungskompensation eines dreiphasigen Stromnetzwerkes der Fall ist. Während bei kleinen Steuerwinkeln für jede der Reihenschaltungen die Thyristoren 11, 21, 22, 23 bzw. 12, 24, 25, 26 wenigstens eine eigene Steuereinheit 81, 82 erforderlich ist, um die Reihenschaltun gen zuverlässig zu zünden, kann bei ausreichend großen Steuerwinkeln auf jegliche Steuereinheiten 81 verzichtet werden. 6 shows an arrangement in which two series circuits according to 4 are connected in anti-parallel to each other. Such an arrangement is particularly recommended when the voltage U _W to be switched is an AC voltage, as is the case, for example, in the reactive power compensation of a three-phase power network. While at small control angles for each of the series connections, the thyristors 11 . 21 . 22 . 23 respectively. 12 . 24 . 25 . 26 at least one own control unit 81 . 82 is required to reliably ignite the Reihenschaltun conditions, can at sufficiently large control angles on any control units 81 be waived.

Jede der in den 3 bis 6 dargestellten Anordnungen kann dazu verwendet werden, einer Last 50, wie sie beispielhaft in 6 dargestellt ist, eine Versorgungsspannung zuzuführen U_W. Bei der Last 50 kann es sich insbesondere auch um eine induktive Last handeln.Each of the in the 3 to 6 illustrated arrangements can be used to a load 50 as exemplified in 6 is shown to supply a supply voltage U _W. At the load 50 in particular, it may also be an inductive load.

Des Weiteren ist die Anzahl der Thyristoren bei den gezeigten Schaltungsanordnungen beliebig, sofern in den jeweiligen Figurenbeschreibungen keine abweichenden Angaben gemacht sind. Ferner wurde bei den bisherigen Darstellungen auf RC- oder R-Beschaltungen des Thyristors, also Beschaltungen mit einem Widerstand (R) oder mit einem Widerstand und einem Kondensator (RC) verzichtet. Solche Beschaltungen können aber jederzeit eingesetzt werden, wenn dies erforderlich ist.Of Further, the number of thyristors in the circuit arrangements shown arbitrary, unless specified in the respective figure descriptions Information is provided. Furthermore, in the previous illustrations on RC or R circuits the thyristor, so circuits with a resistor (R) or dispensed with a resistor and a capacitor (RC). Such Wiring can but can be used at any time, if necessary.

Erfindungsgemäß kann ein Thyristor mit Durchbruchstruktur, wie er beispielsweise in 2 dargestellt ist, nicht nur als Überspannungsschutz, sondern auch zum gezielten Schalten von Leistung verwendet werden, beispielsweise bei Umrichtern, Motoransteuerungen, thyristorgesteuerten Gleichrichtern (TTR), thyristorgeschützten Serienkapazitäten (TPSCs), schnellen Halbleiterschaltern für Hochspannungs-Kurzschließer (Crowbars), Testsystemen zur Fehlersuche in verlegten Hochspannungskabeln, Systemen zur elektromagnetischen Beschleunigung oder zur elektromagnetischen Verformung.According to the invention, a thyristor with breakthrough structure, as it is for example in 2 is shown, not only used as overvoltage protection, but also for targeted switching of power, for example in converters, motor drives, thyristor controlled rectifiers (TTR), thyristorgeschützten series capacities (TPSCs), fast semiconductor switches for high voltage short circuiters (Crowbars), test systems for troubleshooting high-voltage cables, systems for electromagnetic acceleration or electromagnetic deformation.

Um die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Durchbruchspannung eines oder mehrerer in Reihe geschalteter Thyristoren zu erreichen kann diese bei der Herstellung des Thyristors oder nachträglich, beispielsweise durch Anwendung einer Bestrahlungstechnik, eingestellt, insbesondere erhöht oder erniedrigt werden.Around the for a particular application required breakdown voltage of a or to achieve several thyristors connected in series this can in the manufacture of the thyristor or subsequently, for example by Application of an irradiation technique, adjusted, in particular increased or be lowered.

Eine Erhöhung der Durchbruchspannung eines Thyristors kann beispielsweise mittels Implantation von Donatoren bzw. Protonen in den Bereich der Durchbruchstruktur des Thyristors erfolgen.A increase the breakdown voltage of a thyristor, for example by means of Implantation of donors or protons in the area of the breakdown structure of the thyristor.

Entsprechend ist eine Erniedrigung der Durchbruchspannung eines Thyristors mittels Implantation von Akzeptoren wie z.B. Bor, in den Bereich der Durchbruchstruktur des Thyristors möglich.Corresponding is a lowering of the breakdown voltage of a thyristor means Implantation of acceptors such as e.g. Boron, in the area of the breakdown structure the thyristor possible.

Ein weiterer wesentlicher Parameter eines Thyristors ist dessen Zündempfindlichkeit (dU/dt-Empfindlichkeit), also dessen Zündempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Anstiegsgeschwindigkeit der am Thyristor anliegenden Spannung. Bei einem Thyristor mit Zündstufenstruktur kann die Zündempfindlichkeit durch die Geometrie insbesondere der einzelnen Zündstufenemitter eingestellt werden. Eine Einstellung der Zündempfindlichkeit nach der Prozessierung des Thyristors kann durch nachträgliche Bestrahlung des der Durchbruchstruktur zugewandten Endes der Zündstufenemitter erfolgen. Zur Bestrahlung eignen sich vor allem nicht dotierende Ionen, beispielsweise Silizium, wenn der Halbleiterkörper des Thyristors aus Silizium gebildet ist.One Another essential parameter of a thyristor is its ignition sensitivity (dU / dt sensitivity), that is, his sensitivity to sin dependent on from the slew rate of the voltage applied to the thyristor. In a thyristor with ignition stage structure can be the sensitivity of the fiery set by the geometry in particular of the individual Zündstufenemitter become. An attitude of igniters sensitivity after the processing of the thyristor can by subsequent irradiation of the breakdown structure facing the end of the Zündstufenemitter respectively. Particularly suitable for irradiation are non-doping ions, For example, silicon, when the semiconductor body of the thyristor made of silicon is formed.

1–41-4: Ansteuerschaltungdrive circuit
55: n-dotierter Emittern-doped emitter
66: p-dotierte Basisp-doped Base
77: n-dotierte Basisn-doped Base
88th: p-dotierter Emitterp-doped emitter
99: Emitter-ElektrodeEmitter electrode
1010: DurchbruchstrukturBreakdown structure
11–1411-14: steuerbarer Thyristorcontrollable thyristor
2020: Kondensatorcapacitor
21–2621-26: Thyristor mit Durchbruchstrukturthyristor with breakthrough structure
31–3631-36: Gehäuse mit nicht herausgeführtem SteueranschlussHousing with not led out control terminal
41–4441-44: Gehäuse mit herausgeführtem SteueranschlussHousing with lead out control connection
5050: Lastload
5151: n-dotierter Zündstufen-Emittern-doped Fire stage emitter
6161: Abschnitt der p-dotierten Basissection the p-doped base
6262: Abschnitt der p-dotierten Basissection the p-doped base
6363: Abschnitt der p-dotierten Basissection the p-doped base
6464: Widerstandszoneresistance zone
7171: Abschnitt der n-dotierten Basissection the n-doped base
81–8481-84: Steuereinheit oder Teil einer Steuereinheit oder eicontrol unit or part of a control unit or egg
: nes Verteilersnes distributor
9191: Elektrode Zündstufenemitterelectrode Zündstufenemitter
100100: HalbleiterkörperSemiconductor body
101101: Vorderseite des Halbleiterkörpersfront of the semiconductor body
111–141111-141: Steueranschlusscontrol connection
211–261211-261: Steueranschluss (nicht zugänglich bzw. nicht becontrol connection (inaccessible or not be
: schaltet)oN)
CC: Kapazitätcapacity
U_BO U _BO: DurchbruchspannungBreakdown voltage
U_C U _C: Spannung am Kondensatortension on the capacitor

Claims

Circuit arrangement with at least one first power thyristor ( 11 . 12 ) and at least one second power thyristor ( 21 . 22 ) whose load paths are connected in series, in which - the at least one first power thyristor ( 11 . 12 ) a control terminal ( 111 . 121 ), - the at least one second power thyristor ( 21 . 22 ) a breakthrough structure ( 10 ) having a predetermined breakdown voltage (U _BO ), and - the at least one second power thyristor ( 21 . 22 ) either no or a non-wired control connection ( 111 . 112 ) for supplying an ignition signal.

Circuit arrangement according to Claim 1, in which the at least one second power thyristor ( 21 . 22 ) a housing ( 31 . 32 ) and a control terminal ( 111 . 112 ), not from the housing ( 31 . 32 ) is led out.

Circuit arrangement according to one of Claims 1 or 2, in which the series connection of the at least one first power thyristor ( 11 . 12 ) and the at least one second power thyristor ( 21 . 22 ) is connected in parallel with a DC or AC voltage source.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein in each of the first and second power thyristors ( 11 . 12 . 21 . 22 ), which has a breakdown structure, the breakdown voltage (U _BO ) is between 45% and 65% of the blocking voltage of the respective power thyristor.

Method for igniting a circuit arrangement according to one of the preceding claims, comprising the following steps: application of an electrical voltage (U _W , U _C ) across the series circuit, and ignition of the at least one first power thyristor ( 11 . 12 ) by means of the electrical or optical control connection ( 111 . 121 ).

The method of claim 5, wherein the electrical voltage (U _W , U _C ) is greater than the sum of the breakdown voltages of all non-driven power thyristors ( 21 . 22 ).

Circuit arrangement with at least two power thyristors ( 21 . 22 ) whose load paths are connected in series, each of the power thyristors ( 21 . 22 ) a breakthrough structure ( 10 ) having a predetermined breakdown voltage (U _BO ) and wherein each of the power thyristors ( 21 . 22 ) either a non-wired control connection ( 111 . 112 ) for supplying an ignition signal or has no control terminal.

Using a breakthrough structure ( 10 ) having power thyristor ( 21 . 22 . 23 . 24 ) as a switch to a load ( 50 ) supply a supply voltage (U _W , U _WC ).

Using a breakthrough structure ( 10 ) having thyristor ( 21 . 22 . 23 . 24 ) as a switch for switching a time-varying voltage (U _W ).