DE19626661A1

DE19626661A1 - Lichtzündbarer Leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE19626661A1
Application number: DE1996126661
Authority: DE
Inventors: Benno Bucher
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1996-07-03
Publication date: 1998-01-08

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft einen lichtzündbaren Lei stungshalbleiter, insbesondere Thyristor, welcher eine mit einem lichtempfindlichen Zündbereich ausgestattete Halblei terscheibe umfaßt, die innerhalb eines hermetisch abge schlossenen Gehäuses angeordnet ist, sowie wenigstens einen Lichtleiter, welcher von außen durch eine Durchführung in das Gehäuse und zu dem lichtempfindlichen Zündbereich der Halbleiterscheibe geführt ist und in der Durchführung fixiert und hermetisch abgedichtet ist.

Ein solcher Leistungshalbleiter ist z. B. aus der Druckschrift EP-A2-0 687 014 (Fig. 9) bekannt.

STAND DER TECHNIK

Elektrisch gezündete Thyristoren (ETTs oder Electrically Triggered Thyristors) sitzen oft auf einem sehr hohen Poten tial. Deshalb muß die Steuerung dieser Bauelemente über eine isolierende Verbindung erfolgen. Für diesen Zweck werden heutzutage Lichtleiter verwendet, durch welche eine auf dem Potential der Thyristoren arbeitende Ansteuerelektronik mit Lichtimpulsen getriggert wird. Die Ansteuerelektronik wird dabei von der Spannung versorgt, die am Thyristor selbst an liegt.

Direkt lichtzündbare Thyristoren (LTTs oder Light Triggered Thyristors) haben demgegenüber zwei wesentliche Vorteile:

(1) Die auf hohem Potential liegende Elektronik, die anfäl lig gegenüber Störungen ist, entfällt. Das optische Steuersignal wird direkt verwendet, um den lichtzündba ren Thyristor zu triggern.
(2) Es wird keine Energie vom Strompfad, der durch die Thy ristoren geschaltet wird, für die Steuerung abgezapft. Steuerungs- und Hauptkreis sind daher vollkommen ent koppelt.

Die in einem Gehäuse untergebrachten Thyristoren müssen gas dicht (He-dicht) sein, um eine lange Lebensdauer zu gewähr leisten. Dies bedingt beim LTT einen hermetisch dichten Ein bau der optischen Komponenten in das Gehäuse. So ist es bei spielsweise bekannt, für die Zuführung der Lichtzündimpulse starre, gebogene Faserstäbe zu verwenden, die eingangsseitig entweder gasdicht in eine Gehäusedurchführung eingelötet sind (siehe z. B. Fig. 9 der EP-A2-0 687 014) oder in einer Gehäu sedurchführung verschiebbar gelagert und nach außen hin durch ein gasdichtes Fenster abgeschlossen sind (siehe z. B. Fig. 1, 7 der EP-A2-0 687 014 oder Fig. 1 der US-A- 4,695,871).

Bei einer anderen vorgeschlagenen Lösung (EP-B1-0 197 512) wird ein in einer Hülse verlegtes flexibles Faserbündel von außen in einer Bohrung im Kathodenkontaktteil bis dicht an die Halbleiterscheibe herangeführt und das austretende Licht dort über ein optisches Anschlußteil in Form eines Fensters oder einer Linse in die Halbleiterscheibe eingekoppelt. Das optische Anschlußteil ist dabei gasdicht in einen Einsatz eingepaßt, der seinerseits gasdicht in die Bohrung eingelö tet oder eingeschweißt ist.

Die Verwendung von optischen Fenstern und starren Lichtleit stäben hat jedoch verschiedene Nachteile:

(1) Zusätzliche optische Fenster, Linsen etc. vermindern die Transmission des Lichtes, was entweder die Zündung verschlechtert oder durch eine stärkere Lichtleistung ausgeglichen werden muß.
(2) Starre Lichtleitstäbe dürfen nur an einer Stelle im Ge häuse fixiert werden, da im Betrieb die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glas und Me tall zu destruktiven Spannungen im Glasstab führen kön nen. Durch die einseitige Fixierung ergeben sich insbe sondere Justier- und Einkopplungsprobleme, wie sie in den eingangs genannten Druckschriften beschrieben sind.
(3) Die dV/dt-Festigkeit und die minimale Lichtenergie zum Zünden eines LTT stehen in einem funktionellen Zusam menhang. Eine große dV/dt-Festigkeit verlangt auch eine erhöhte minimale Lichtenergie. Ein entscheidender geometrischer Parameter, der diesen trade-off verbes sert, ist ein möglichst kleiner Durchmesser des Licht flecks, der aus dem Lichtleiter auf den Halbleiter fällt. Die Durchmesser der derzeit eingesetzten Licht leitstäbe (d. h. der Lichtflecken) liegen im Bereich von einigen 100 µm bis einigen mm. Zur Fokussierung des Lichtes werden manchmal Linsen verwendet; diese ergeben aber einen zusätzlichen Transmissionsverlust an der Linse selbst. Ein anderer Lösungsvorschlag (US-A- 4,500,164) für das dV/dt-Problem betrifft die Verwen dung eines sich konisch verjüngenden Lichtleiters zur Reduzierung des Lichtfleckdurchmessers. Eine solche Lö sung ist aber technisch extrem aufwendig.
(4) Die Lichtleitstäbe werden üblicherweise seitlich und horizontal verlaufend in das Gehäuse eingeführt und durchlaufen in der Mitte des Bauelements dann eine 90°- Biegung nach unten. Die im Vergleich zu den großen Durchmessern der Lichtleitstäbe kleinen Biegeradien dieser Biegung vermindern die Transmission.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen lichtzündbaren Lei stungshalbleiter zu schaffen, der bei gleichbleibender mini maler Lichtenergie für die Zündung eine erhöhte dV/dt-Festig keit aufweist, sich durch eine verbesserte Transmission der optischen Zündstrecke auszeichnet, und eine leichte Abdich tung des Gehäuses bei gleichzeitig vereinfachter Justierung der optischen Elemente und hoher Betriebssicherheit ermög licht.

Die Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleiter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Lichtleiter als flexi ble Lichtleitfaser ausgebildet ist, und daß die flexible Lichtleitfaser mit ihrem ausgangsseitigen Ende an der Halb leiterscheibe fixiert ist. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Lichtleiters als flexible Lichtleitfaser (im Unterschied zum starren Lichtleitstab aus dem Stand der Technik) geht mit einer deutlichen Durchmesserverringerung einher, die zu einer Verringerung des Durchmessers des Lichtflecks auf der Halb leiterscheibe führt. Dadurch wird die dV/dt-Festigkeit ver bessert, ohne daß eine Fokussierung mittels Linsen oder an derer zusätzlicher optischer Elemente notwendig ist. Die Fle xibilität der Faser ermöglicht eine trotz der unterschiedli chen thermischen Ausdehnung unkritische Fixierung der Faser an zwei Stellen, nämlich an der Gehäusedurchführung und an der Halbleiterscheibe. Dadurch wird eine gute optische Ju stierung und Einkopplung erreicht. Thermisch bedingte Ausdeh nungsdifferenzen werden durch die flexible Faser ausgegli chen. Darüber hinaus können wegen des verringerten Durchmes sers die relativ kleinen Biegeradien der Lichtleitfaser im Bauelement ohne Transmissionsverluste realisiert werden.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die flexible Lichtleitfaser einen Durchmesser von weniger als 100 µm, insbesondere von nur ei nigen µm, aufweist. Hierdurch wird der oben erwähnte trade-off verbessert und es läßt sich eine besonders hohe dV/dt- Festigkeit erreichen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiters ist dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser in der Durchführung hermetisch dicht eingebettet ist. Durch die hermetisch dichte Einbettung der Lichtleitfaser entfällt die Notwendigkeit von zusätzlichen gedichteten Fenstern. Die Lichtleitfaser ist ohne zusätzliche Transmissionsverluste von außen optisch direkt zugänglich. Die Einbettung dient dabei zugleich als mechanische Fixie rung. Grundsätzlich kann die Einbettung durch Einkleben er folgen. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung die ser Ausführungsform ist die flexible Lichtleitfaser zumindest im Bereich der Durchführung metallisiert, ist die Durchfüh rung aus Metall, und ist die flexible Lichtleitfaser in die Durchführung eingelötet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeich net sich dadurch aus, daß die flexible Lichtleitfaser inner halb des Gehäuses zu ihrem Schutz wenigstens auf Teilab schnitten mit einem starren Röhrchen umgeben ist. Das Röhrchen schützt gegen mechanische Einwirkungen auf die Fa ser. Insbesondere im Bereich einer Biegung kann ein entspre chend gestaltetes Röhrchen den Biegeradius der Faser auf ein unschädliches Maß begrenzen.

Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekenn zeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser von einem ersten Röhrchen umgeben ist, welches mit seinem einen Ende an der Durchführung befestigt ist und ein an der Durchführung begin nendes Teilstück der flexiblen Lichtleitfaser umgibt, daß die flexible Lichtleitfaser von einem zweiten Röhrchen umge ben ist, welches mit seinem einen Ende an der Halbleiter scheibe befestigt ist und ein an der Halbleiterscheibe begin nendes Teilstück der flexiblen Lichtleitfaser umgibt, daß die jeweils freien Enden der beiden Röhrchen voneinander be abstandet sind, und daß die freien Enden der beiden Röhrchen zum Schutz des dazwischenliegenden Teilstücks der flexiblen Lichtleitfaser mit einem flexiblen Übergangsstück, insbeson dere in Form eines Schrumpfschlauches, verbunden sind. Hier durch ergibt sich ein praktisch lückenloser Schutz der Licht leitfaser ohne daß der Ausgleich von thermischen Ausdeh nungsdifferenzen maßgeblich beeinträchtigt wird.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 im Querschnitt den inneren Aufbau eines bevorzug ten Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen lichtzündbaren Leistungshalbleiter; und

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die optische Zünd strecke des Bauelements nach Fig. 1.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist im (teilweisen) Querschnitt der innere Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen lichtzündbaren Leistungshalbleiter wiedergegeben. Der lichtzündbare Leistungshalbleiter 10, der im vorliegenden Beispiel als Thyristor angenommen ist, aber im Rahmen der Er findung auch ein anderes aktives lichtzündbares Halbleitere lement umfassen kann, enthält in einem hermetisch abgedichte ten Gehäuse 11 eine dünne Halbleiterscheibe 17 mit den für einen lichtzündbaren Thyristor üblichen dotierten Schichten folgen und Funktionsbereichen, zu denen ein lichtempfindli cher Zündbereich gehört. Die Halbleiterscheibe 17 ist zwi schen zwei Elektroden 15 und 16 gehalten, die üblicherweise als massive Cu-Scheiben ausgebildet sind und den elektrischen und thermischen Kontakt zu der Halbleiterscheibe 17 herstel len. Zwischen den Elektroden 15, 16 und der Halbleiterscheibe 17 können in bekannter Weise zusätzlich Scheiben aus Mo oder vergleichbaren Metallen vorgesehen sein, welche die unter schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halb leitermaterials (Si) und der Elektroden 15, 16 ausgleichen. Die Elektroden 15, 16 sind über entsprechende (angeschweißte) ringförmige Flansche 13 bzw. 14 (aus Blech) mit einem die Halbleiterscheibe 17 konzentrisch umgebenden isolierenden Keramikring 12 verbunden (Metall-Keramik-Verbin dung). Keramikring 12, Flansche 13, 14, und die Elektroden 15, 16 bilden das hermetisch bzw. gasdichte Gehäuse 11.

Die Lichtzündung des Thyristors erfolgt über eine (in Fig. 2 separat und vergrößert dargestellte) optische Zündstrecke, die eine dünne, flexible Lichtleitfaser 23 umfaßt. Die Lichtleitfaser 23, die als einzelne Faser ausgebildet ist und einen Durchmesser von weniger als 100 µm, insbesondere nur einigen µm aufweist, ist in einer schlitzartigen bzw. nutför migen Ausnehmung 18 der unteren Elektrode 16 verlegt. Sie führt von außerhalb des Gehäuses 11 durch eine seitlich in der Elektrode 16 angebrachte (angeschweißte) metallische Durchführung 19 in die Ausnehmung 18 und dort zu dem zentral angeordneten lichtempfindlichen Zündbereich 26 auf der Unter seite der Halbleiterscheibe 17, wo die Lichtleitfaser 23 en det und (z. B. mittels eines Klebers) fixiert ist. Die Licht leitfaser 23 verläuft dabei zunächst auf einer Teilstrecke horizontal, durchläuft dann eine Biegung 25 und endet dann nach einer senkrechten Teilstrecke auf der Halbleiterscheibe 17. Der Biegeradius in der Biegung 25 und der Durchmesser der Lichtleitfaser 23 sind dabei vorzugsweise so gewählt, daß der Kerndurchmesser der Lichtleitfaser 23 mehrere, insbeson dere etwa drei Größenordnungen, kleiner ist als der Biegera dius der Biegung 25.

Die Abdichtung des Gehäuses im Bezug auf die optische Zünd strecke erfolgt nicht - wie bei der eingangs genannten EP-B1- 0 197 512 - direkt an der im Betrieb heißen Halbleiter scheibe 17, sondern an einer Außenseite des Gehäuses 11, nämlich in der Durchführung 19. Dadurch werden Belastungen der Abdichtung durch große thermisch bedingte Bewegungen vermieden. Die flexible Lichtleitfaser 23 ist dazu in einer zentralen Durchgangsbohrung der Durchführung 19 hermetisch dicht eingebettet. Die Einbettung ist mit einer Fixierung verbunden. Damit ist die Lichtleitfaser 23 an zwei Stellen, nämlich an der Halbleiterscheibe 17 und an der Durchführung 19 fixiert. Aufgrund der Flexibilität bzw. Biegsamkeit der dünnen Faser können thermisch bedingte Spannungen trotz der doppelten Fixierung gleichwohl problemlos ausgeglichen wer den.

Die gasdichte Einbettung kann z. B. dadurch erfolgen, daß die flexible Lichtleitfaser 23 in die Durchführung 19 eingeklebt ist. Bevorzugt wird jedoch eine Abdichtung, bei der die fle xible Lichtleitfaser 23 zumindest im Bereich der Durchführung 19 metallisiert ist, die Durchführung 19 aus Metall ist, und die flexible Lichtleitfaser 23 in die Durchführung 19 einge lötet ist. Wird die Durchführung 19 gleichzeitig nach außen hin als Anschlußstecker ausgebildet, ergibt sich ein durchge hender optischer Weg von der Durchführung 19 bis zur Halblei terscheibe 17, der ohne Fenster, Linsen oder sonstige opti sche Zusatzelemente auskommt und daher eine maximale optische Transmission garantiert. Der geringe Durchmesser der Licht leitfaser 23 sorgt dabei ohne zusätzliche Maßnahmen für ei nen günstigen kleinen Lichtfleck im Zündbereich der Halblei terscheibe 17.

Die Lichtleitfaser 23 ist aufgrund ihres geringen Durchmes sers gegen mechanische Einwirkungen empfindlich. Insbesondere darf auch nicht ein kritischer Wert des Biegeradius unter schritten werden, um eine ausreichend Langzeitstabilität der Anordnung zu gewährleisten. Es ist deshalb vorzugsweise vor gesehen, daß die flexible Lichtleitfaser 23 innerhalb des Gehäuses 11 zu ihrem Schutz wenigstens auf Teilabschnitten mit einem starren Röhrchen 20 bzw. 22 (konzentrisch) umgeben bzw. umhüllt ist. Besonders günstig ist es, wenn gemäß Fig. 2 die flexible Lichtleitfaser 23 von zwei Röhrchen 20, 22 ge schützt ist. Ein erstes Röhrchen 20 ist mit seinem einen Ende an der Durchführung 19 befestigt und umgibt ein an der Durch führung 19 beginnendes Teilstück der flexiblen Lichtleitfaser 23. Ein zweites Röhrchen 22 ist mit seinem einen Ende an der Halbleiterscheibe 17 befestigt und umgibt ein an der Halblei terscheibe 17 beginnendes Teilstück der flexiblen Lichtleit faser 23. Die jeweils freien Enden der beiden Röhrchen 20, 22 sind voneinander beabstandet. Sie sind zum Schutz des dazwi schenliegenden Teilstücks der flexiblen Lichtleitfaser 23 mit einem flexiblen Übergangsstück 21, insbesondere in Form ei nes Schrumpfschlauches, verbunden.

Da die flexible Lichtleitfaser 23 im Bereich des zweiten Röhrchens 22 die Biegung 25 durchläuft, ist das zweite Röhrchen 22 entsprechend gebogen. Damit wird verhindert, daß ein kritischer Biegeradius unterschritten wird. Zusätzlich kann die flexible Lichtleitfaser 23 im zweiten Röhrchen 22 dadurch mechanisch fixiert werden, daß sie in einen fixie renden Füllstoff 24, z. B. ein Epoxydharz oder dgl., eingebet tet ist.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein lichtzündbarer Leistungshalbleiter, der eine hohe dV/dt-Festigkeit und gute Zündeigenschaften aufweist, und sich durch einen vereinfach ten Aufbau und hohe Betriebssicherheit auszeichnet.

Bezugszeichenliste

10 lichtzündbarer Leistungshalbleiter
11 Gehäuse
12 Keramikring
13, 14 Flansch
15, 16 Elektrode
17 Halbleiterscheibe
18 Ausnehmung (schlitzartig)
19 Durchführung (Lichtleiter)
20, 22 Röhrchen
21 flexibles Übergangsstück
23 flexible Lichtleitfaser
24 Füllstoff
25 Biegung

Claims

1. Lichtzündbarer Leistungshalbleiter (10), insbeson dere Thyristor, welcher eine mit einem lichtempfindlichen Zündbereich (26) ausgestattete Halbleiterscheibe (17) umfaßt, die innerhalb eines hermetisch abgeschlossenen Gehäu ses (11) angeordnet ist, sowie wenigstens einen Lichtleiter, welcher von außen durch eine Durchführung (19) in das Ge häuse (11) und zu dem lichtempfindlichen Zündbereich der Halbleiterscheibe (17) geführt ist und in der Durchführung (19) fixiert und hermetisch abgedichtet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lichtleiter als flexible Lichtleitfaser (23) ausgebildet ist, und daß die flexible Lichtleitfaser (23) mit ihrem ausgangsseitigen Ende an der Halbleiterscheibe (17) fixiert ist.

2. Leistungshalbleiter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) einen Durchmesser von weniger als 100 µm aufweist.

3. Leistungshalbleiter nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) einen Durchmesser von einigen µm aufweist.

4. Leistungshalbleiter nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) innerhalb des Gehäuses (11) mit einer Biegung (25) verlegt ist, und daß die flexible Lichtleitfaser (23) einen Kerndurchmesser aufweist, welcher mehrere, insbesondere etwa drei Größenordnungen, kleiner ist als der Biegeradius der Biegung (25).

5. Leistungshalbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) in der Durchführung (19) hermetisch dicht eingebettet ist.

6. Leistungshalbleiter nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) in die Durchführung (19) eingeklebt ist.

7. Leistungshalbleiter nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) zumindest im Bereich der Durchführung (19) metallisiert ist, daß die Durchführung (19) aus Metall ist, und daß die flexible Lichtleitfaser (23) in die Durchführung (19) eingelötet ist.

8. Leistungshalbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung (19) nach außen hin als Anschlußstecker ausgebildet ist.

9. Leistungshalbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) innerhalb des Gehäuses (11) zu ihrem Schutz wenigstens auf Teilabschnitten mit einem starren Röhrchen (20, 22) umge ben ist.

10. Leistungshalbleiter nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) von einem ersten Röhrchen (20) umgeben ist, welches mit seinem einen Ende an der Durchführung (19) befestigt ist und ein an der Durchführung (19) beginnendes Teilstück der flexiblen Licht leitfaser (23) umgibt, daß die flexible Lichtleitfaser (23) von einem zweiten Röhrchen (22) umgeben ist, welches mit sei nem einen Ende an der Halbleiterscheibe (17) befestigt ist und ein an der Halbleiterscheibe (17) beginnendes Teilstück der flexiblen Lichtleitfaser (23) umgibt, daß die jeweils freien Enden der beiden Röhrchen (20, 22) voneinander beab standet sind, und daß die freien Enden der beiden Röhrchen (20, 22) zum Schutz des dazwischenliegenden Teilstücks der flexiblen Lichtleitfaser (23) mit einem flexiblen Übergangs stück 21, insbesondere in Form eines Schrumpfschlauches, ver bunden sind.

11. Leistungshalbleiter nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaser (23) im Be reich des zweiten Röhrchens (22) eine Biegung (25) durch läuft, daß das zweite Röhrchen (22) entsprechend gebogen ist, und daß die flexible Lichtleitfaser (23) im zweiten Röhrchen (22) in einen fixierenden Füllstoff (24) eingebettet ist.