DE1514138A1 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter - Google Patents

Description

LICENTIA PATEliT«VERWALTÜNGS~GMBH, Frankfurt/Main, Theodor=»Stern*Kai 1

PA Linser/Ks Lr 82/oo2

HalbleitarAloichrichter

Die Srflridusag betrifft einem steuerbaren. Halbleitergleichrichter, bestehend aus misidostens vier Sonen abwechselnd -yarschiedenen Leitfähigkeit ε typ s_s

Sin steue^barar Halbleitergleichrichter besteht beispielsiieiae aus einer Siliaiumscheibe, die vier Schichten mit alternierend wechselndem LeitfähijgkeitsCharakter enthalte Aa den beiden äusse« ren Schiebten befindet sich je eine Elektrode, die je nach Schaltung als Anode oder Kathode berseichnst wird. Eine dritte Elektrode, die eine dar inneren beiden Schichten kontaktiert, dient zur Einleitung der Zündung und wird als S te us r elektrode bezeich<» nat₉ üblieherMeisa befindet sich die Steuerelektrode auf der - gleichem Seite der Halbleiterscheibe*wie die Kathode₉ Neuerdings werden die obenaufgip.seigtsn Halfoleitereleiaente nach allgemeiner Übereinkunft auch als Thyristoren bezeichnet« Diese Elemente be« sitaen ©ine Thyratron^ähnliehe Stromspannungscharakteristik»

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund·, die Ausbreitungszeit des Stromes über die Thyristorfläche beim Einschaltvorgang zu verkürzen.

Die Zündung steuerbarer Halbleitergleichrichter erfolgt vorzugsweise durch punktförmige SteuereJäctroden, die an der Peripherie oder im Zentrum der Kathoden"=· oder Anodenf lache angeordnet sind ο Nach dem Einschalten des Zündstromes zündet der steuerbare Halbleitergleichrichter nur in einem eng begrenzten Bereich in unmittelbarer Nähe der Steuerelektrode_e Von dort verbreitert sich die gezündete Fläche mit einer Geschwindigkeit von etwa o.l mm pro Mikro Sekunde ο Der obere Emitter injiziert im wesentliften nur in dem Gebiet, das der Steuerelektrode am nächsten liegt, denn an dem Bahnwiderstand der p~Basis verursacht der Steuerstrom einen Spannungsabfall, der wegen des exponentieIlen Zusammenhanges zwischen Durchlaßstrom und Durchlaßs^animng zu einem sehr steilen Abfall des injizierenden Stromes mit der Entfernung vom Rand führt· Aus diesen Gründen erfolgt der Übergang in den leistenden Zustand aunöchst nur in diesem schmalen Gebiet. Von hier aus diffundieren dann Ladungsträger aus dem Plasma mit seiner hohen Ladungsträgerkonsentration iaa seitlicher Richtung in da3 nichtge zünde te Gebiet und leiten auch odrt ;iie Zündung ein. Auf diese Weise breitet sich der stromführende Horeich und mit ihm das Plasma im Laufe einiger Zeit über dia g /jamte Fläche der pnpn»Struktur aus* Dio relativ kleine Auslbr'ifcungsgeschwindigkeit von etwa o»l mm pro MikrοSekunde bewir ;t bei grossflächigen Thyristoren, dass mit wachsender Frequenz cfor l>e:L kurzzeitigen

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Stromimpulsen nur ein Teil der Thyristorfläche Strom führt, Hierdurch entsteht eine thermische Überbeanspruchung des stromfüh·*· rendeη Bereichs und die Gefahr der Zerstörung des Thyristors· Die Frequensgrensse grossflächiger Thyristorer, muss dementsprechend erheblich reduziert werden.

Die Ausbreitungszeit des Stromes über die Thyristorflache lässt sich ohne Beeinträchtigung der übrigen Thyristoreigenschaften dadurch erhöhen, dass mehrere parallel gescheitete Steuerelektroden vorgesehen werden, deren Zündung gleichseitig erfolgt. Es kann beispielsweise die Dauer des Einscha.ltvorganges auf die Hälfte verkürzt werden, wenn zuei parallel geschaltete Steuerelektroden an der Peripherie des Thyristors sich gegenüberliegend angeordnet werden und die Zündung gleichseitig erfolgt. Bei einer Parallelschaltung zweier Steuerelektroden ist jedoch eine Verdoppelung der Steuerleistung notwendig« Eine Vervielfachung der Steuerelektroden bedingt daher auch eine Vervielfachung der Steuerleistung, wodurch ein erheblicher Aufwand insbesondere bei Leistungsthyristoren erforderlich ist*

Die Lösuris dor aufgezeigten Probleme erfolgt dadurch, dass bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter gei «äss der Erfindung mindestens eine Hilfselektrode vorgesehen ±ε „, die über eine Impedanz mit dem Lastkreis verbunden ist. Hierdurch kann eine Zündung an mehreren Stellen erfolgen, ohne dass eine zusätzliche Steuerleistung benötigt wird. Besonders vorteilhaft ist es, den jeweiligen Hilfselektrodenkön.talct mit einer £one gleichen Lei tr

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f&higkeitstyps zu verbinden, wie die auf der gleichen Seite des Halbleitersleichrichters befindliche Hauptelektrode, die je nach Schaltung als Kathode oder Anode bezeichnet wird. Der Hilfselektrodenkontakt muss von dem auf der gleichen Seite des Halbleitergleichrichters befindlichen Hauptelektrodenkontakt geometrisch getrennt sein· Die mit dem Lastkreis verbundene Impedanz muss ferner parallel zum Widerstand des Lastkreises liegen· Vorteilhaft jet es, die Impedanz um etwa eine Grösseuordnung grosser zu bemessen als den Widerstand des Lastkreises. PUr besondere Anwendung s zwecke kann es vorteilhaft sein, mehrere Hilfselektrodeh anzuordnen, wobei eine oder mehrere der Hilf»elektroden über einen oder mehrer· Ohm'sche Widerstände mit dem Laütkreis elektrisch verbunden sind» Anstelle eines Ohm¹sehen Widerstandes lassen sich auch Kondensatoren verwenden« Natürlich ist os auch möglich, bei der Verwendung mehrerer Hilfselektroden Ohm'sche Widerstände und Kondensatoren entsprechend zu schalten* Für die geometrische Anordnung der Hilfselektrode und der Steuerelektrode ergeben sich vielfältige Möglichkeiten. So kann beispielsweise die Hilfselektrode ringförmig ausgebildet sein und die Steuerelektrode um» geben· Ce ist aber auch möglich, mehrere Hil:~selektroden punktförmig auszubilden und so anzuordnen, dass sie die Steuerelek« trode umgeben* Es lassen eich auch Hilfaelek ,roden vorwenden, die haibringförmig ausgebildet sind. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Steuer- und die Hilfselektrode punktförmig gestaltet und befinden sich auf der gleichen Seite des Halblei terelöteonte β, wobei »iischen ihnen, die Hauptelektrode angeordnet ist* ' ■ - - -■" "

Anhand der Figuren 1 bis 4 soll der Gegenstand der Erfindung und die Funktion näher erläutert -./erden* Hierbei zeigt Fig.l einen Querschnitt einee Thyristors und Fig.la die entsprechende Draufsicht; Fig,2 einen Querschnitt eines Thyristors mit umgekehrter Polung wie in Fig«1 und la und Fig.3 und 4 Draufsichten von Thyristoren mit verschieden ausgebildeten Hilfsolektrodenkontakten. (»leiche Elemente sind hierbei mit gleichen Bezugsseichen versehen«

In Fig.l und la ist der Thyristor mit 1 bezeichnet» Der Anodenanschluss 2 ist hierbei mit dem Anodenkontakt 3 elektrisch leitend verbunden und kontaktiart die p-leitende Schicht 4, die auch als . ρ »Emitter be ze lehnet xrird. Der Thyristor besteht aus vier Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyps 4, 5» 6 und 7· Die gleitende Schicht 7 wird auch als η-Emitter bezeichnet. Sie ist mit dem Kathodenkontakt 9 kontaktiert, der mit dem Kathodenanschluss Io verbunden ist. Die Steuerelektrode 8 ist mit der p«leitenden Schicht 6 kontaktiert, während der Hilfselektrodenkontakt 13 mit einer n-Sehicht 14 verbunden ist· 11 bezeichnet den Lastwiderstand R, und 12 den Widerstand B-. der Hilfselektrode, der parallel asum Lasttfiderstand 11 liegt.

Beim Einachalten des Steuerstromes zündet der Thyristor 1 zunächst nur in der Nähe der Steuerelektrode 8„ Der einsetzend· Strom lässt am Lastwiderstand R, eine Spannung entstehen, durch die die Kathode, bestehend aus Kathodenkontakt 9 und ihrem Anschluss Io , positiv gegenüber der kleinen n-Zone 14 vorgespannt wird. Hierdurch wird der Kathoden«pn«Übergans 6, 7 ^an diesem

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Band in Sperriohtung und der pn-übergang der Hilfesündelektrode 6, Xk in Durchlaßrichtung geschaltet· Mit wachsenden Spannungsabfall erreicht die Sperrspannung des Ka thoden-pn-Übergange s 6, das Durchbruehsgebiet· Bei Leistungsthyristoren liegt dieser Wert bei etwa Io bis 30 V. Bs flieset dann der in der Raumladungsssone >■ durch Stofiionisation verursachte Locherstrom in die p-Basis b«w. in die p-leitende Schicht 6 und swingt den pn-übergang 6, 14 aur Injektion von Elektronen in die p-Basis 6, wodurch die pnpn-Struktur, bestehend aus den Schichten k, 5, 6, lk_% zündet. Durch den Widerstand IL, wird der in diesen Zweig fliessende Strom auf einen dem Laststrom gegenüber vernachlässigbaren Wert begrenzt. Der Strom im Hilfsstromkreis erreicht infolgedessen seinen stationären Bndwert wesentlich schneller; das heisst aber, der Spannungsabfall am Widerstand 12 wächst rascher als der am Widerstand 11· Sobald der Spannungsabfall am Widerstand 12 den am Widerstand 12 überwiegt, kehrt sich die Polarität der Spannung «wischen diesen beiden Kontakten um· Der Hilfselektrodenkontakt 13 wird nunmehr positiv J goQonübor cbtt Kathodenkontakt· Hierdurch entsteht in der p-Basis 6 ein sum Kathodenkontakt 9 hin gerichtetes transversales Driftfeld, mit dem ein Locherstrora verbunden ist, der den Kathoden-pn-Übergang 6, 7 *ur Injektion veranlasst und damit die Zündung einleitet. Die Verspätung gegenüber der Zündung am Steuerelektroden»>nahen Rand beträgt etwa das Doppelte der Verzögerung asaeit des Thyristors· Diese Zeit beträgt etwa 1 bis 3 Mikrosekunden. Demgegenüber benötigt der gesamte AusbreitungsVorgang etwa 14-O bis 2oo MikroSekunden * bis er bsi der normalen Zündung eine Fläche von etwa Ik mm 0 erfasst hat. Die Verspätung bei

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der HilfeJBÜndung füllt im Vergleich hierzu nicht ins Gewicht« soda*· mit der Hilf«zündung die Ausbreitungseeit auf etwa die Halfte verkürzt wird· Durch weitere Hilf β zündelektrode η kann gemfiss der Erfindung eine entsprechend grössere Verkürzung erzielt werden, ohne dass die Steuerleistung erhöht zu werden braucht. Die zusKtsliche Leistung wird hierbei dem Lastkreis entnommen· Da im Hilfskreis nur so lange Strom zu fliessen braucht« bis die Zündung an Kathodenrand.eingeleitet ist, kann der Widerstand 12 auch durch einen- Kondensator ersetzt werden. Die Kapazität eines solchen Kondensators liegt etwa ±n der Grössenordnung von o,l Mikrofarad. Wie anhand der Pig»2 dargestellt 1st, lassen sich auch Anode und Kathode vertauschen· in einem weiteren Ausführungsbeispiel ge-■Iss' Pig ο 3 ist der Hilfeelektrodenkontakt 13 halbringförmig ausgebildet· Ihii gegenüber liegt die Steuerelektrode 8, die die p- oder n-ieitende Schicht 6 kontaktiert „ Durch eine derartige Ausbildung der Hilf szündelektrode wird ein relativ grosser Teil der Kathode bzw« Anode nahezu gleichzeitig gezündet· Eine entsprechende Abwandlung der geometrischen Ausgestaltung der Hilfeelektrode zeigt die Pig .4. Hier ist die Hilfszündelektrode 13 ringförmig ausgestaltet« Die Steuerelektrode 8 ist hierbei von dem Kathodenkontakt 9 flMchenaiKseig umschlossen.

7 Blatt Beschreibung 11 Anspruch« 3 llatt teichng» 1 Auf »teils,

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Claims (1)

1. LICBNTIA PATENT-VEBWALTUNQS-OMBH. 1514138 Prankfurt/Main, Theodor^Stern-Eai 1

   Lr 82/002 Patentansprüche / /2_A jd_ s f

   1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter, bestehend aus mindestens vier Zonen abwechselnd verschiedenen Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet, dass windeβtens eine Hilfselektrode vorhanden ist, die über eine Impedanz mit dem Lastkreis verbun« den ist«

   2. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Hilfsolektrodenkontakt mit einer Zone gleichen Leitfähigkeit*type verbunden ist wie die auf der gleichen Seite des Halbleitergleichrichters befindliche Hauptelektrode (Kathode oder Anode·)·

   3· Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilf«elektroden« kontakt von dem auf der gleichen Seite des Halbleitergleichrichters befindlichen Hauptelektrodenkontakt geometrisch getrennt ist* . ' ■

   4» Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden! dadurch gekennzeichnet, dass die midiem Lastkreis verbundene Impedans parallel *um Widerstand des Lastkreiee« liegt* . .-■-... ,._. , , '. ^ ■,/__.-

   3· Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz um et* a mindestens eine

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   Grössenortimang großer iat als Λ»*·-Widers-band dos Last» .kreises· .

   6, Sfcauerbnrö't' Halbleitergleichrichter..nach Anspa-uch 1 oder einem der folgenden, dadurch geiumnsßiclmet, dasa οίκβ oder mehrere d»y Hilf&elölctröden. übar «sin«)» oder sielu'iira Ohm'sche Wider* stände mit dein Las titreis elektrisch vorbimdeh. sind,

   7» ■ Steuerbarer ^Halbleitergleichrichter ttach Anspruch 1 bia An-

   5, dadurch gekennKeiohnei;, dassi ö':«.» odor mehrere Hilfs** über «sinen oder raehrors SoadaBsatoron mit dem Last« sind.

   8» Stoti.tirii.^:4.r©r Ha3.1l?l«5iterg,leAchriciitü.t· nach Anspruch 1 odar

   einem d«r- fοlgenden,-'dadurch gekenJixeichHöt, dass die Hilfs» ; ©laktrod© rdngfos-mig au;s&-fsT>i.l.dei ist vwti. die Hai^ipt«» und

   s 3tewerfeä3'©3r· HaIKLeitergleichrichtor 21aob, Anspruch 1 bis 7« dadurch fgsltoxinrieichnet, dass uiehrero. !»taüstförtäig ausgebildete Hilfisolektrodaii eine Hauxvfc·«· und Stiouerelstrode umgeben«

   Iq, Steuoa-lbas'.ar Halfol«i.terg3.e.lc3irio?:it3r nach Aiisparuoh 1 bis 7, dadurch geicsimräeichiiet_v. dase die HilfaQj-'s.'ctroda halbrJ.ngförmig ausgebildet ist.

   11. Stauarba^fi* Halbleitöi*gioiohr:ir,htar· nacil. Anspruch 1 bis 7j dadurch gtltennnoichneti dass dj.o Steuor» und die Hilfselek·» trod« punktf Grätig auegebildet si.rni, si oh auf der gleichen

   ■■■ Aus-«:m:?lUche de» Hal-bloitereJ,-ÄmVj_i?.ⁱi;i; bax:⁵.:,uion. wild dass ifanan die JlAuptu3.öktrods ajigeoir

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