DE1919437A1 - Thyristor circuit - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Thyristorschaltung mit einem Thyristor, dessen Anoden- und Kathodenkont-akte auf zwei entgegengesetzten Flächen des Halbleiterkörpers angebracht sind, und mit einer Steuervorrichtung, die den Halbleiterkörper zwecks Zündung des Thyristors beleuchtet.The invention relates to a thyristor circuit with a Thyristor, its anode and cathode contacts on two opposite sides Areas of the semiconductor body are attached, and with a control device that controls the semiconductor body illuminated for the purpose of triggering the thyristor.
.Bei Thyristoren ist es wünschenswert, die Zündzeit so weit wie möglich herabzusetz-en, d,h« die Zeit, die vom Anfang des Steuerimpulses gerechnet verstreicht, bis die Hauptspannung auf einen genügend niedrigen Wert, z.-ß. 10 Prozent der Ausgangsnauffcspannung, gesunken ist. Erst nach Schluß der Zündzeit kann nämlich der Thyristor einen größeren Belastungsstrom ohne schädliche Erwärmung führen,. Weiter gibt bei Schaltungen mit mehreren gleichzeitig gezündeten Thyristoren eine kurze Zündzeit eine geringere Streuung der Zündzeitpunkte der Thyristoren. Das ist wünschenswert, um während des Zündverlaufs ungleichmäßig verteilte Beanspruchungen zu vermeiden. Wenn die Zündzeit eines Thyristors lang ist, wird es desnalb notwendig, die ZuwachsgesohwindigKeit des .tselastungsstromes zu begrenzen, z.B.. mit Hilfe einer mit dem i'hyristor reihengeschalteten Drossel, was oft erheblicheFor thyristors, it is desirable to set the ignition time so far to reduce as possible, that is, the time from the beginning of the Calculated control pulse elapses until the main voltage to a sufficiently low value, e.g. 10 percent of the initial recovery voltage, has decreased. Only after the end of the ignition time can the thyristor carry a larger load current without damaging it Cause warming. Further gives with circuits with several Simultaneously triggered thyristors have a short ignition time and there is less scatter in the ignition times of the thyristors. That is desirable to be unevenly distributed during the ignition process Avoid stresses. Therefore, when the ignition time of a thyristor is long, it becomes necessary to increase the rate of increase of the load current, e.g. with the help of a with the i'hyristor series-connected choke, which is often considerable
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1. Ö 1-943-71. Ö 1-943-7
Nachteile mit sioh bringt. Bei vielen Anwendungsarten ist ein Thyristor mehr oder weniger direkt mit einem Kondensator parallelgeschaltet. Dieser entlädt sioh bei Zündung des Thyristors durch denselben. Oft ist es wünschenswert, die Zeitkonstante des Kreises niedrig zu halten, die Entladung erfolgt dann während des ersten Teils des Zündverlaufs. Damit der Thyristor schon während eines frühen Stadiums den dabei verbrauchten Teil der im Kondensator gespeicherten Energie absorbieren kann, ist es notwendig, daß die Zündung in diesem Stadium sehr schnell und über einen genügend großen Teil des Querschnitts des Thyristors erfolgt«Brings disadvantages with sioh. For many types of applications, there is a Thyristor connected more or less directly in parallel with a capacitor. This sioh discharges when the thyristor is triggered same. It is often desirable to keep the time constant of the circuit low, the discharge then occurring during the first Part of the ignition process. So that the thyristor already uses up the part of the capacitor in the early stages Can absorb stored energy, it is necessary that the ignition at this stage very quickly and over a sufficiently large part of the cross section of the thyristor takes place «
Bei bisher bekannten optisch gesteuerten Thyristoren ist der Halbleiterkörper nur von einer Seite beleuchtet worden. Eine Thyristor --.schaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung den Halbleiterkörper sowohl von der Anoden- als auch von der Kathodenseite her besuchtet. Hierdurch wird eine schnelle, sichere und wirksame Zündung des Thyristors erreicht. In previously known optically controlled thyristors, the semiconductor body has only been illuminated from one side. One Thyristor -. Circuit according to the invention is characterized that the control device visits the semiconductor body from both the anode and the cathode side. Through this a fast, safe and effective ignition of the thyristor is achieved.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen:The invention is described below with reference to the drawing, in this show:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Thyristor im Schnitt und Fig. 2 einen solchen Thyristor in einem Kreis zum Steuern des Stromes durch eine Belastung»Fig. 1 shows a thyristor according to the invention in section and Fig. 2 such a thyristor in a circuit for controlling the current through a load »
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Der Thyristor in Pig. 1 besteht aus einer Trägerplatte 1, die gleichzeitig den Anodenkontakt bildet. Der mit der Trägerplatte verbundene Halbleiterkörper aus Silizium hat vier abwechselnd N-, und P-leitende Schichten, 2-5» die durch Diffusion oder Legierung oder eine Kombination dieser Verfahren hergestellt sind. Die Emitterschichten 2 und 5 sind stark und die Basisschichten 3 und 4 schwach dotiert. Die Trägerplatte 1 ist mit einer Anodenzuleitung 6 versehen. Der Halbleiterkörper hat auf der mit der Trägerplatte parallelen Fläche einen Kathodenkontakt 7» der aus einer aurch Legierung mit dem Halbleiterkörper verbundenen Metallschicht bestehen kann* An dieser ist der Kathodenzuleiter angeschlossen. Die Trägerplatte 1 ist an ihrem Mittelpunkt mit einer Öffnung 9 versehen und der Kathodenkontakt 7 mit einer entsprechenden öffnung 10, die eine Beleuchtung des Halbleiterkörpers sowohl von der Anoden- als auch von der Kathodenseite her ermöglichen. Wenn der Thyristor in der Vorwärtsrichtung sperrt, d.h. wenn die Anode im Verhältnis zur Kathode positiv ist, sperrt der mittlere PN-Übergang und nimmt die Spannung auf, die dem Thyria tor aufgedrückt wird. Wenn man den. Thyristor mit Licht einer geeigneten Wellenlänge beleuchtet, können Ladungsträgerpaare in den RaumladungsbBleichen in den Basisschiohten (3» 4) erzeugt werden. Dadurch wird der Sperrstrom durch den mittleren PN-Übergang und somit der Strom durch den Thyristor und der Injektionswirkungsgrad der Emitterschichten vergrößert. Wenn die Intensität der Beleuchtung und damit die Anzahl der erzeugten Ladungsträgerpaare pro Zeiteinheit groß genug ist, wird die Summe der Injektionswirkungsgrade der beiden Emitterschichten gleichThe thyristor in Pig. 1 consists of a carrier plate 1, which at the same time forms the anode contact. The one with the carrier plate Connected semiconductor body made of silicon has four alternating N- and P-conductive layers, 2-5 »which are made by diffusion or alloy or a combination of these methods are prepared. The emitter layers 2 and 5 are strong and the base layers 3 and 4 lightly doped. The carrier plate 1 is provided with an anode lead 6. The semiconductor body has on the with Carrier plate parallel surface a cathode contact 7 »from a metal layer connected to the semiconductor body by means of an alloy can exist * The cathode lead is connected to this. The carrier plate 1 is at its center with provided with an opening 9 and the cathode contact 7 with a corresponding opening 10 which illuminates the semiconductor body enable both from the anode and from the cathode side. When the thyristor blocks in the forward direction, i.e. when the anode is positive in relation to the cathode, blocks the middle PN junction and takes on the voltage that is forced on the Thyria tor. If you have the. Thyristor with light Illuminated at a suitable wavelength, charge carrier pairs can in the space charge bleaching in the base layers (3 »4) be generated. This causes the reverse current through the middle PN junction and thus the current through the thyristor and the Injection efficiency of the emitter layers increased. When the intensity of the lighting, and therefore the number of generated If the charge carrier pairs per unit of time is large enough, the sum of the injection efficiencies of the two emitter layers is the same
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• eins, der Thyristor geht in leitenden Zustand über.• one, the thyristor goes into the conductive state.
Die Wellenlänge der Belftuohtung muß hauptsächlich im infraroten:· ■ Gebiet liegen und beträgt zweckmäßig öa 1/um, wobei der Wirkungsgrad der Beleuchtung am größten ist. Um Ladungsträgerpaare erzeugen zu können, muß jedoch die Beleuchtung (bei einem Siliziumthyristor) genügend Energie von niedrigerer Wellenlänge als ca 1,2/um enthalten, welcher Wert dem Bandabstand von Silizium entspricht. Eine zweckmäßige Lichtquelle ist eine Ga-As-Luminizenzdiode oder ein Ga As-Laser, der monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 0,9/um erzeugt* Die Intensität der auf die ■ fläche des Halbleiterkörpers einfallenden Beleuchtung muß mindestens von der Größenordnung 10-100 mW/cm sein, welcher Wert von der spektralen Verteilung der Beleuchtung abhängt.,The wavelength of the ventilation must be mainly in the infrared: · ■ Area are and is expediently öa 1 / um, the efficiency the lighting is greatest. In order to be able to generate charge carrier pairs, however, the lighting (in the case of a silicon thyristor) enough energy of a lower wavelength than approx 1.2 / µm, which corresponds to the band gap of silicon. A suitable light source is a Ga-As luminous diode or a Ga As laser that generates monochromatic light with a wavelength of 0.9 / µm * The intensity of the ■ surface of the semiconductor body incident lighting must be at least of the order of 10-100 mW / cm, which value depends on the spectral distribution of the lighting.,
Dadurch, daß der Thyristor naoh der Erfindung sowohl von der Anoden- als auch von der Kathodenseite beleuchtet wird, gewinnt man mehrere wesentliche Vorteile verglichen mit den bisher bekannten optisch gesteuerten Thyristoren. Bei diesen werden nämlich die Ladungsträger in überwiegendem Grad in der am nächsten der beleuchteten Fläche liegenden Basisschicht erzeugt, beim erfindungsgemäßen Thyristor dagegen in gleich hohem Grade in beiden Basissohiohten. Bei unveränderter Beleuchtungsstärke werden deshalb wesentlich mehr Ladungsträgerpaare pro Zeiteinheit im Thyristor erzeugt, was eine schnellere und wirksamere Zündung (kür-Because the thyristor is illuminated from both the anode and the cathode side according to the invention, wins one has several significant advantages compared to the previously known optically controlled thyristors. With these, namely, the charge carriers are predominantly in the closest to the The base layer lying on the illuminated surface is generated, but in the case of the thyristor according to the invention to the same degree in both Base oohten. With unchanged illuminance, therefore significantly more charge carrier pairs per unit of time are generated in the thyristor, which results in faster and more effective ignition (shortened
• zere Einschaltzeit) und damit eine größere Widerstandsfähigkeit• shorter switch-on time) and thus greater resistance
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gegen einen schnell anwachsenden Belastungsstrom ergibt. Umgekehrt kann eine geringere Beleuchtungss1ä?ke als bei einseitig beleuchteten Thyristoren verwendet und trotzdem eine genau so schnelle und sichere Zündung wie in diesen erhalten werden.against a rapidly increasing load current. Vice versa can have a lower level of illumination than with one-sided illuminated thyristors are used and an ignition that is just as fast and reliable as in these can be obtained.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der Anodenkontakt und der Kathodenkontakt mit Öffnungen versehen, durch welche die" Beleuchtung auf den Halbleiterkörper einfallen kann. Diese Öffnungen werden zweckmäßig an den zentralen Teilen der Kontakte angebracht. Hierdurch erhält man eine möglichst schnelle und gleichförmige Ausbreitung der Zündung vom beleuchte ten Teil über den Rest des Thyristorquerschnittes.According to a preferred embodiment of the invention, the anode contact and the cathode contact are provided with openings, through which the "illumination can fall on the semiconductor body. These openings are expediently at the central parts of the contacts attached. This results in the fastest and most uniform possible propagation of the ignition from the light th part over the rest of the thyristor cross-section.
. 2 zeigt einen Thyristor nach Pig. 1, der zur Steuerung einer
von einer Weohselstromquelle 16 zu einer Belastung 17 gedient
speisten Leistung^ Eine Steuervorrichtung 11 gibt in bekannter
Weise Stromimpulse ab, deren Phasenlage im Verhältnis zur Speisespannung mittels eines Steuersignals u variiert werden kann«
Die Luminizenz 12 ist am Ausgang der Steuerimpulsvorriohtung angeschlossen
und gibt Lichtimpulse ab, die mit Hilfe der lichtleiter
15 und H zur Anoden- und Kathodenseite des Thyristors
geleitet werden. Die Lichtleiter bestehen zweckmäßig aus Bündeln
von optischen Glasfasern.. 2 shows a Pig thyristor. 1, which is used to control one of a Weohselstromquelle 16 to a load 17
fed power ^ A control device 11 emits current pulses in a known manner, the phase position of which can be varied in relation to the supply voltage by means of a control signal u Anode and cathode side of the thyristor are conducted. The light guides expediently consist of bundles of optical glass fibers.
Von einer einzigen Lichtimpulsquelle können natürlich mehrere reihen- und parallelgesohaltete Thyristoren gesteuert werden.Of course, several light pulse sources can be used from a single light pulse source Series and parallel thyristors can be controlled.
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Nach, einer Ausführungsform der Erfindung werden getrennte Lichtquellen für die Beleuchtung der Anoden- und Kathodenseite des Thyristors angeordnet. Bei Fehlern der einen Lichtquelle kann der Betrieb ungest-ört weitergehen, wenn auch mit reduzierter Widersiaidsfähigkeit gegen schnell anwachsende Belastungsströme, wodurch man größere Betriebssicherheit erhält. Bei einer Schaltung mit mehreren Thyristoren kann beispielsweise eine Lichtquelle für die Beleuchtung der Anodenseiten der Thyristoren und eine andere Lichtquelle für die Beleuchtung der Kathodenseiten benutzt werden.According to one embodiment of the invention, separate light sources for illuminating the anode and cathode side of the Thyristor arranged. In the event of errors in one of the light sources, operation can continue undisturbed, albeit at a reduced rate Resistance to rapidly increasing stress currents, whereby one obtains greater operational reliability. In a circuit with several thyristors, for example, a light source used to illuminate the anode sides of the thyristors and another light source to illuminate the cathode sides will.
Mehrere andere Ausführungsformen als die oben gezeigte sind im Rahmen der Erfindung denkbar.Several other embodiments than the one shown above are conceivable within the scope of the invention.
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