DE1927834C

DE1927834C - Thyristor circuit

Info

Publication number: DE1927834C
Authority: DE
Inventors: Per Vällingby Svedberg (Schweden)
Original assignee: Allmänna Svenska Elektriska AB, Västeraas (Schweden)
Publication date: 1972-09-21

Description

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und des aus dem zweiten Teil der ersten Emitterschicht das Problem der übertragung von Steuerimpulsen und der übrigen Schichten des Thyristors gebildeten über eventuelle Potentialdifferenzen vermieden wiid. Teilthyristors niedriger ist als die Kippspannung des Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird aus dent erstea Teil der ersten Emitterschicht und den in Reihe mit dsr genannten Vierschichtdiode eine Vorübrigen Schichten des Thyristors gebildeten Teil- 5 Spannungsquelle mit einer solchen Polarität angethyristors. schlossen, daß die Sperrspannung über der Reihen-and that of the second part of the first emitter layer, the problem of the transmission of control pulses and the remaining layers of the thyristor formed over possible potential differences are avoided. Partial thyristor is lower than the breakover voltage of the According to one embodiment of the invention from the first part of the first emitter layer and the four-layer diode named in series with dsr a previous one Layers of the thyristor formed part- 5 voltage source with such a polarity angethyristor. concluded that the reverse voltage across the series

Mit einer solchen Schaltung erreicht man bei zweck- schaltung des Zündthyristors und der VierschichtdiodeWith such a circuit, the ignition thyristor and the four-layer diode are connected appropriately

mäßiger Dimensionierung, daß bei steigender Sperr- se viel höher als über dem Rest des Thyristors wird,moderate dimensioning that with increasing blocking is much higher than over the rest of the thyristor,

spannung die Vierschichtdiode zuerst selbst zündet, daß bei zunehmender Sperrspannung die Vierschicht-voltage, the four-layer diode first ignites itself, so that with increasing reverse voltage, the four-layer diode

wobei die Spannung über dieser auf einen niedrigen io diode erst selbst zündet und dann den Zündthyristorwhereby the voltage across this on a low io diode first ignites itself and then the ignition thyristor

Wert sinkt. Die Spannung über dem mit dieser reihen- zündetValue goes down. The tension above the series ignites

geschalteten Teilthyristor, dem Zündthyristor, steigt Die Thyristorschaltung nach der Erfindung wirdswitched partial thyristor, the ignition thyristor, increases The thyristor circuit according to the invention is

dabei momentan an, und dieser zündet gleichzeitig vorteilhaft durch eine Vorspannungsquelle ergänzt, diemomentarily, and this ignites at the same time advantageously supplemented by a bias voltage source, the

über der ganzen Fläche, hauptsächlich auf Grund des den Übergang zwischen der e»ten Emitterschicht undover the entire surface, mainly due to the transition between the first emitter layer and

durch den Thyristor fließenden kapazitiven Strom- 15 der angrenzenden Basisschichi in der Sperrichtung vor-capacitive current flowing through the thyristor- 15 the adjacent base layers in the reverse direction

stoßes. Hierdurch erhält man eine morrsntane Zün- spannt, wodurch die Neigung des 1 hyristors, bei schnellpush. This gives you a morrsntane ignition voltage, which reduces the tendency of the 1 hyristor to be fast

dung einer so großen Fläche, daß der Thyristor nicht steigender Blockspannung selbst zu zünden, geringertion of such a large area that the thyristor does not self-ignite with increasing block voltage, lower

durch einen schnell ansteigenden Belastungsstron. wird.through a rapidly increasing strain. will.

zerstört wird. Die Zündung breitet sich danach in Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichüblicher Weise seitlich über die ganze Thyristorfläche 20 nung beschrieben, in dieser zeigen
aus. F i g. 1 und 2 Tnyristorschaltungen undgets destroyed. The ignition then spreads in The invention is described below with reference to the usual manner in the drawing laterally over the entire thyristor surface 20 voltage, show in this
out. F i g. 1 and 2 thyristor circuits and

Durch die britische Patentschrift 1 065 510 ist ein F i g. 3 die Strom-Spannungs-Charakteristiken derBritish patent specification 1,065,510 shows a fig. 3 the current-voltage characteristics of the

Thyristor bekannt, dessen eine Emitterschicht aus in der Schaltung in F i g. 1 enthaltenen FlementeKnown thyristor, one emitter layer of which in the circuit in FIG. 1 included elements

mehreren getrennten Teilen besteht. Eine oder mehrere bei positiver Sperrspannung.consists of several separate parts. One or more if the reverse voltage is positive.

hiervon sind mit einem Anschluß für den Belastung- 45 In F i g. 1 ist I eine Trägerplatte aus Metall, z. B.of these are equipped with a connection for the load- 45 In F i g. 1 I is a support plate made of metal, e.g. B.

strom des Thyristors verbunden. Ein anderer Teil ist Molybdän, an der eine einkristalline kreisförmigeconnected to the current of the thyristor. Another part is molybdenum, which is a single crystalline circular

über eine Vier- oder Fünfschichtdiode mit dem Steuer- Siliziumscheibe festgelötet ist. Die Scheibe enthält eineis soldered to the control silicon disk via a four- or five-layer diode. The disc contains one

anschluß des Thyristors verbunden. Diese Diode ist P-leitende Emitterschicht 2, eine N-leitende Basis-connection of the thyristor connected. This diode is P-conductive emitter layer 2, an N-conductive base

nicht an einem der Anschlüsse des Belastungsstromes schicht 3, eine P-leitende Basisschicht 4 und einenot at one of the connections of the load current layer 3, a P-conductive base layer 4 and a

angeschlossen und dient nur dem Zweck, dem Steuer- 30 N-leitende Emitterschicht, die aus zwei Teilen besteht,connected and only serves the purpose of controlling the 30 N-conductive emitter layer, which consists of two parts,

anschluß des Thyristors eine geeignete Strom-Span- Ein ringförmiger Teil 5 bildet zurammen mit denconnection of the thyristor a suitable current-span A ring-shaped part 5 forms together with the

nungs-Charakteristik zu geben. Schichten 2 bis 4 einen Thyristor, den Hauptthyristor,to give voltage characteristics. Layers 2 to 4 a thyristor, the main thyristor,

Nach eii.jr Weiterentwicklung der Erfindung ist ein und ist mit einer Metallschicht 6 versehen, die denAfter eii.jr further development of the invention is a and is provided with a metal layer 6, which the

Impedanzelement, eine Drosselspule oder ein Wider- Kathodenkontakt bildet, und einer Kathodenzulei-Impedance element, a choke coil or a negative cathode contact, and a cathode lead

stand in Reihe mit der Vierschichtdiode geschaltet 35 tung 9. Ein im ringförmigen Teil 5 gelegener und vonwas connected in series with the four-layer diode 35 device 9. A located in the ring-shaped part 5 and from

und dient zur Begrenzung des Stromes durch diese und diesem getrennter kreisförmige Teil 7 bildet mit denand serves to limit the flow through this and this separate circular part 7 forms with the

den Zündthyristor wenigstens während einer so langen Schichten 2 bis 4 einen Teilthyrstor. den Zündthyristor,the ignition thyristor at least during such long shifts 2 to 4 a partial thyristor. the ignition thyristor,

Zeit, daß die Zündung Zeit hat, sich über den Rest des der einen Kaihodenkontakt 8 und eine Kathodenzu-Time that the ignition has time to pass through the rest of the one Kaihodenkontakt 8 and one cathode

Thyristors auszubreiten. leitung 10 hat. An der Trägerplatte 1 ist die gemein-Spread thyristor. line 10 has. On the carrier plate 1 is the common

• Die Summe der Kippspannungen des Zündthyristors 40 same Anodenzuleitung 11 angeschlossen. Der Haupt-• The sum of the breakover voltages of the ignition thyristor 40 is connected to the same anode lead 11. The main-

und der Vierschichtdiode kann niedriger gemacht thyristor ist mit seinen Anoden- und Kathodenzulei-and the four-layer diode can be made lower thyristor with its anode and cathode lead-

werden als die Kippspannung des übrigen Teils des tungen in Reihe mit einem Belastungsobjekt 12 anare presented as the breakover voltage of the remaining part of the lines in series with a load object 12

Thyristors, indem man nach einer Ausführungsform einer Wechse!stromquelle 13 angeschlossen, durchThyristor by connecting an AC power source 13 according to one embodiment

der auf die erste Emitterschicht begrenzten Basis- Einstellung der Phasenlage des ZündzeitpunVtes desthe basic setting of the phase position of the ignition timing, which is limited to the first emitter layer

schicht eine geringere Dicke unter dem genannten 45 Thyristors im Verhältnis zur speisenden Wechsel-layer a smaller thickness under the mentioned 45 thyristor in relation to the feeding alternating

zweiten Teil als unter den übrigen Teil tlieser Emitter- spannung kann der Mittelv/ert des BelastungsstromesThe second part than the remaining part of the emitter voltage can be the mean value of the load current

schicht gibt. Hierdurch bekommt der mit der Vier- in bekannter Weise gesteuert werden. Zw^:schen denshift there. This allows the four to be controlled in a known manner. ^Btw: the rule

schichtdiode reihengeschaltete Zündthyristor eine hö- Kathoden 10 und 9 des Zündthyristors und desLayer diode series-connected ignition thyristor a higher cathode 10 and 9 of the ignition thyristor and the

here Stromverstärkung und niedrigere Kippspannung Hauptthyristors ist eine Vierschichtdiode 14 in Reihehere current gain and lower breakover voltage The main thyristor is a four-layer diode 14 in series

als der übrige Teil des Thyristors. 5° mit einem Widerstand 15 angeschlossen, und zwar sothan the rest of the thyristor. 5 ° connected to a resistor 15, like this

Diese Wirkung kann auch dadurch erreicht werden, gerichtet, dafi ihre Leitrichtung mit der LeitrichtimgThis effect can also be achieved by aligning its direction of guidance with the direction of guidance

daß die Lebensdauer der Ladungsträger in der Basis- des Zündthyristors zusammenfällt. Zwischen denthat the life of the charge carriers in the base of the ignition thyristor coincides. Between

schicht in dem mit der Vierschichtdiode reihenge- Kathoden des Hauptthyristors und des Zündthyristorslayer in the row with the four-layer diode cathodes of the main thyristor and the ignition thyristor

schalteten Zündthyristor höher ist als in dem übrigen ist ein symbolisch gezeigtes Steuergerät angeschlossen,switched ignition thyristor is higher than in the rest, a symbolically shown control device is connected,

Teil des Thyristors, z. B. dadurch, daß man diesem 55 das aus einer Spannungsquelle 17 (deren PolaritätPart of the thyristor, e.g. B. by this 55 from a voltage source 17 (whose polarity

letzteren Teil eine größere Konzentration aus einem entgegengesetzt der gezeigten sein kann) und einemthe latter part may be a greater concentration of one opposite that shown) and one

die Lebensdauer der Träger herabsetzenden Metall, Schalter 18 besteht.the service life of the wearer-degrading metal, switch 18 is made.

vorzugsweise Gold, gibt. Dies kann in bekannter Weise Wie aus der Figur hervorgeht, hat die P-Basis-preferably gold, there. This can be done in a known manner. As can be seen from the figure, the P-basis has

dadurch erreicht werdtm, daß Gold in den Halbleiter- schicht 4 eine geringere Dicke im N-Emitterteil 7 alsthereby achieved that gold in the semiconductor layer 4 has a smaller thickness in the N-emitter part 7 than

körper diffundiert wird, wobei der Zünd- oder Teil- 60 im übrigen. Der Zündthyristor 2, 3, 4, 7 hat deshalbbody is diffused, with the ignition or partial 60 in the rest. The ignition thyristor 2, 3, 4, 7 therefore has

thyristor in zweckmäßiger Weise abgedeckt ist. Die eine niedrigere Kippspannung als der Hauptthyristorthyristor is covered in an appropriate manner. Its a lower breakover voltage than the main thyristor

genannte Vierschichtdiode kann am einfachsten aus 2, 3, 4, 5. Die ^-/-Charakteristik des Zündthyristors incalled four-layer diode can most simply be from 2, 3, 4, 5. The ^ - / - characteristic of the ignition thyristor in

einer PNPN-Diode bestehen, einem sogenannten der Vorwärtsrichtung wird durch die Kurve If in Fig. 3a PNPN diode, a so-called the forward direction is indicated by the curve If in Fig. 3

Dioden-Thyristor. die der Vierschichtdiode durch die Kurve ί dargestellt,Diode thyristor. that of the four-layer diode represented by the curve ί,

Wenn man statt dessen eine gesteuerte Vierschicht- 65 währaid die Charakteristik dieser beiden zusammen-If, instead, a controlled four-shift system is used, the characteristics of these two combined

diode verwendet, kann auch diese bei normaler Zün- geschalteten Elemente die Kurve III ist. Die Charakte-diode is used, this can also be curve III with normal ignited elements. The character

dung benutzt werden. Vorzugsweise verwendet man in ristik des Hauptthyristoi-s ist die Kurve iV. Bei einercan be used. The curve iV is preferably used in the ristics of the Hauptthyristoi-s. At a

einem solchen Fall eine optisch gesteuerte, wodurch zunehmenden Spannung in der Vorwfirtsrichtungin such a case an optically controlled one, creating increasing tension in the Vorwfirtsrichtung

über der Thyristorschaltung zündet erst die Vierschichtdiode 14 bei der Spannung U₁. Die Spannung über dem Zündthyristor steigt dabei momentan auf einen Wert, der die Kippspannung dieses Thyristors übersteigt, dieser zündet schnell und gleichzeitig über seiner ganzen Fläche dank dem beim Durchbruch der Vierschichtdiode 14 auftretenden kapazitiven Versrhiebungsstrom, wonach die Zündung sich seitlich zum Hauptthyristor ausbreitet. Der Widerstand 15, der durch eine Drosselspule ersetzt werden kann, begrenzt deii Belastungsstrom durch den Zündthyristor. Der oben beschriebene Vorgang ist also der Selbstzündungsvorgang, aber der Thyristor kann auch in üblicher Weise dadurch gezündet werden, daß mit Hilfe eines Steuergerätes 17-18 dem Anschluß 10 im Verhältnis zur Kathode 9 eine positive oder negative Spannung aufgedrückt wird.Only the four-layer diode 14 ignites above the thyristor circuit at the voltage U ₁ . The voltage across the ignition thyristor increases momentarily to a value that exceeds the breakover voltage of this thyristor, this ignites quickly and simultaneously over its entire area thanks to the capacitive displacement current that occurs when the four-layer diode 14 breaks, after which the ignition spreads to the side of the main thyristor. The resistor 15, which can be replaced by a choke coil, limits the load current through the ignition thyristor. The process described above is therefore the self-ignition process, but the thyristor can also be ignited in the usual way by applying a positive or negative voltage to the terminal 10 in relation to the cathode 9 with the aid of a control device 17-18.

Statt die P-Basisschicht 4 unter dem N-Emitterteil dünner zu machen, kann man der P-Basisschicht unter dem N-Emitterteil 5 eine gewisse Konzentration eines die Lebensdauer herabsetzenden Materials geben, z. B. durch Indiffusion von Gold in diesen Teil, wodurch die gewünschte Wirkung, eine höhere Kippspannung des Hauptthyristors 2, 3, 4, 5, erhalten wird.Instead of making the P base layer 4 thinner under the N emitter part, the P base layer can be underneath give the N-emitter part 5 a certain concentration of a life-reducing material, e.g. B. by indiffusion of gold into this part, creating the desired effect, a higher breakover voltage of the main thyristor 2, 3, 4, 5 is obtained.

In der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist eine optisch gesteuerte Vierschichtdiode 20 mit dem Zündthyristor 2, 3, 4, 5 reihengpschaltet. Die optische Vierschichtdiode 20 wird mit Hilfe von Lichtimpulsen von einer Lichtdiode 22 gezündet, die vom Steuerimpulsgerät 23 gesteuert wird. Dieses gibt Steuerimpulse mit ■ einer vom Steuersignal U abhängigen Phasenlänge im Verhältnis zur Wechselspannung 13. Eine Vorspannungsquelle 21 gibt der Reihenschaltung der Diode 20 und des Zündthyristors 2, 3, 5, 7 eine so abgepaßte Vorspannung, daß die Kippspannung für diese Reihenschaltung niedriger ist als für den Hauptthryistor 2.3,4,5. Der Verlauf bei Selbstzündung wird derselbe wie bei der in F i g. 1 gezeigten Schaltung, man erhält dieselbe gute Selbstzündungsbeständigkeit. Die Tendenz zur Selbstzündung wird mit Hilfe der Vorspanmingsquellen 24 und 27 vermindert, die über die Widerstände 25 und 29 und Kontakte 8, 26 und 28 der P-Basisschicht 4 und N-Emitterschicht 7 eine negative Vorspannung geben.In the in F i g. 2, an optically controlled four-layer diode 20 is connected in series with the ignition thyristor 2, 3, 4, 5. The optical four-layer diode 20 is ignited with the aid of light pulses from a light diode 22 which is controlled by the control pulse device 23. This gives control pulses with ■ a phase length dependent on the control signal U in relation to the alternating voltage 13. A bias voltage source 21 gives the series connection of the diode 20 and the ignition thyristor 2, 3, 5, 7 a bias voltage adjusted so that the breakover voltage for this series connection is lower than for the main thyristor 2,3,4,5. The course during self-ignition becomes the same as that in FIG. 1, the same good resistance to autoignition is obtained. The tendency to self-ignition is reduced with the aid of the bias sources 24 and 27, which give the P base layer 4 and N emitter layer 7 a negative bias voltage via the resistors 25 and 29 and contacts 8, 26 and 28.

Damit die gewünschte Wirkung erhalten wird, müssen die Spannungen der Vorspannungsquellen 21, 24 und 27 in einem gewissen Verhältnis zueinander stehen. Die in Reihe mit der Vierschichtdiode 20 angeschlossene Vorspannungsquelle 21 muß eine Spannung haben, die unter anderem einen von der Spannung der Vorspannungsquellen 24 und 27 bestimmten Wert übersteigt. Mit Hilfe der folgenden Definition kann folgende Bedingung erhalten werden:In order to obtain the desired effect, the voltages of the bias sources 21, 24 and 27 are in a certain relationship to one another. The one connected in series with the four-layer diode 20 Bias voltage source 21 must have a voltage which, among other things, is one of the voltage of the Bias sources 24 and 27 exceeds a certain value. With the help of the following definition, the following condition can be obtained:

U₀ = der Spannung der Vorspannungsquelle 21, U ₀ = the voltage of the bias source 21,

U₁ = der durch die Vorspannungsquellen 24 und 27 erzeagten Vorspannung des Überganges zwischen den Schichten 4 und 7, U ₁ = the bias voltage generated by the bias voltage sources 24 and 27 of the transition between layers 4 and 7,

c, C₁ c, C ₁

wo C₁ die Kapazität des Übergangswhere C _{1 is} the capacity of the transition

zwischen den Schichten 4 und 7 und C₁ die Kapazität des unter der Schicht 7 gelegenen Teils des Übergangs zwischen den Schichten 3 und 4 ist.between layers 4 and 7 and C _{1 is} the capacitance of that part of the junction between layers 3 and 4 which is below layer 7.

Die Bedingung wird dann: l/_e > (U₁ + 1) (K -f- 1).The condition then becomes: l / _e > (U ₁ + 1) (K -f- 1).

Bei einer typischen Thyristorschaltung nach der Erfindung beträgt die Spannung der Vorspannungsquelle 21100 V und die Spannung der Vorspannungsquellen 24 und 27 10 V.In a typical thyristor circuit according to the invention, the voltage of the bias voltage source 21 is 100 V and the voltage of the bias voltage sources 24 and 27 is 10 V.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

U0 = the voltage of the bias voltage source (21) Claims: is, U1 = the voltage generated by the bias voltage sources (24> and

1. Thyristor circuit with a thyristor and (27) generated bias voltage of the junction of a four-layer semiconductor component, in which the 5 between the layers (4) and (7) and
Thyristor a first and a second emitter layer "C _1,. -, .. _v - _t -. . /> ,. _ and two base- * = -φ arranged between these, where C _{1 is the} capacitance of the junction

. has layers and said first emitter between layers (4) and (7) and layer consists of two separate parts, from C ₃ the capacitance of the layer (7) which is located under the one with a connection for the area Part of the transition between the load current of the thyristor and layers (3) and (4) is provided.
others via the four-layer semiconductor component
is connected to another connection, characterized in that the connection

end (9) for the load current with the 15th
Another terminal (10) is connected and the breakover voltage for the series connection of the four-layer The invention relates to a thyristor circuit with semiconductor components (14, 20) and the second part (7) of the first emitter layer and the element, which consists of a thyristor and a four-layer semiconductor component the thyristor has a first and a remaining layer of the thyristor formed part ao second emitter layer and two between these angethyristors is lower than the Kippspannmg of the ordered base layers and the said first emitter layer consists of two separate parts from the first part (5) of the first emitter layer , and the other layers of the thyristor are formed, one of which has a connection for the connected partial thyristor. load current of the thyristor is provided and the

2. Thyristorschaltujg according to claim 1, characterized »5 others on the four-layer semiconductor component characterized in that an Impedanze'-element (15) is connected for one more connection.
Limitation of the current through the Visrschichtdiode Ιϊϊη thyristor contains a semiconductor body with (14) is connected in series with this. four layers of alternately opposite ones

3. thyristor circuit m.ch claim 1, characterized by types of conductors, of which the two outer layers, characterized in that the emitter layers on the emitter layer (5, 7) 30 are more heavily doped than the two bordering base layer (4) a smaller thickness inner layers, the base layers at the N-conductor below the second part (7) than the rest of the emitter layer is the cathode contact of the Has to share. Thyristor connected and on the P-type

4. Thyristor circuit according to claim 1, characterized in that the emitter layer is its anode contact. If one is marked, that the service life of the minor 35 visse positive reverse voltage is exceeded (anode charge carrier in at least one of the base positive in relation to the cathode), the ignites layers higher in said partial thyristor thyristor, d. i.e. the reverse current through the blocking (7, 4, 3, 2, 1) than otherwise. the mid-transition and thus the injection of

5. Thyristor circuit according to claim 4, characterized in that the emitter layer increases so much that the characterized in that the thyristor (1 to 6) in the transition mentioned 40 reversed polarization in the conduction direction remaining a higher concentration from one which will and the thyristor will start to current with one Lifetime of the carrier-degrading metals as a low voltage drop. Due to the the partial thruster has. unavoidable inhomogeneities of the thyristor occurs

6. Thyristor circuit according to claim 1, characterized in that the self-ignition only in a small part of that the four-layer diode (14) is a 45 thyristor, and with a rapidly rising PNPN diode. Load current thus flows only you ^r ch this part,

7. Thyristor circuit according to claim 1 or 6, there is a great risk that the thyristor in this characterized in that the four-layer part is overloaded and destroyed.

diode (20) is an optically controlled one. It is known that one can avoid this danger

8. Thyristor circuit according to one of claims 50, if one has a choke coil in series with the 1 to 7, characterized in that a first thyristor switches, it can thereby increase the bias voltage source (21) in series with the four-speed load current after the self-layer diode (20) and ignition with such a polarity so reduced that the current does not is connected that the transition between the reaches its full value before the ignition is over second part (7) of the first emitter layer (5, 7) 55 has spread over the entire thyristor surface. Such and the adjoining base layer (4) in the master inductor has serious consequences in many respects direction is biased. Defect.

9. Thyristor circuit according to one of the patent- The object of the invention is the aforementioned Claims 1 to 8, characterized in that damage to a thyristor described at the outset second bias voltage source (24) between we- 60 circuit by avoiding the At least one of the two parts (5, 7) of the first thyristor has a good resistance to self-ignition and emitter layer and the adjoining base loan, d. H. the ability to self-ignite layer (4) is connected. generate a rapidly growing current without damage

10. Thyristor circuit according to claim 9, to hold. The thyristor circuit described is characterized by that the bias 65 erfindungsgemäfl characterized in that the sources are chosen so that the condition of connection for the load current to the further ti - 1 connected in iwf ι i \ to "·" ■ L. terminal is and the breakover voltage for the U ₀ ^ (U ₁ + 1) (K + 1) is fulfilled, wöbe. Series connection of the four-layer semiconductor component