DE2830382A1 - Leistungsthyristor, verfahren zu seiner herstellung und verwendung derartiger thyristoren in stromrichterschaltungen - Google Patents

Leistungsthyristor, verfahren zu seiner herstellung und verwendung derartiger thyristoren in stromrichterschaltungen

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DE2830382A1
DE2830382A1 DE19782830382 DE2830382A DE2830382A1 DE 2830382 A1 DE2830382 A1 DE 2830382A1 DE 19782830382 DE19782830382 DE 19782830382 DE 2830382 A DE2830382 A DE 2830382A DE 2830382 A1 DE2830382 A1 DE 2830382A1
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BBC Brown Boveri France SA
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Description

Leistungsthyristor, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung derartiger. Thyristoren, in Stromrichterschaltungen
Die Erfindung betrifft einen Leistungsthyristor mit mindestens zwei auf der kathodenseitigen Basiszone angeordneten Elektroden, wobei eine der beiden Elektroden als Steuerelektrode (Zündgate) und die zweite Elektrode zur Entnahme eines Stromes (Generatorgate) verwendet wird; sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Thyristoren und eine Verwendung derartiger Thyristoren in Stromrichterschaltungen, in denen mehrere Thyristoren parallelgeschaltet sind.
In grossen Anlagen der Leistungselektronik müssen häufig mehrere Thyristoren parallel geschaltet werden. Dabei ist es möglich, dass bei ungünstigen Betriebsbedingungen einzelne Elemente nicht zünden oder bei niedrigen Strömen ausgehen. Bei einem nachfolgenden Stromanstieg können dann die eingeschalteten Thyristoren überlastet und zerstört werden. Zur Vermeidung solcher Ausfälle müssen gegenwärtig relativ aufwendige Massnahmen in der Schaltung getroffen werden (vgl.z.B. DE-OS 26 12 549).
Aus der DE-OS 21 46 178 ist nun ein Thyristor bekannt5 auf dessen kathodenseitiger Basiszone mehrere Elektroden vorgesehen sind. Ein Amplifyinggate (Hilfsthyristor) steuert dabei über sperrschichtfreie Leitungen mehrere über die Thyristoroberfläche verteilte Zündelektroden an, um einen gleichmässigeren Zündvorgang zu gewährleisten. Ein von dem Amplifyinggate des gezündeten Hauptthyristors entnommener Strom reicht indessen nicht aus, um einen entsprechenden parallelgeschalteten Thyristor zu zünden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Thyri-
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stor anzugeben, dessen Zünd- und Generatorgate derart dimensioniert sind, dass der von einem gezündeten Thyristor gelieferte Generatorstrom ausreicht, um einen entsprechenden nichteingeschalteten Thyristor zu zünden. Dabei soll der Anodenstrom, J , des gezündeten Thyristors kleiner sein, als sein Stossstromgrenzwert, vorzugsweise aber kleiner als das dreifache des Dauergrenzstromes. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung derartiger Thyristoren angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Eine weitere Ausgestaltung dieser Merkmale ist in den Unteransprüchen offenbart.
Weitere Einzelheiten sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert .
Es zeigt:
Fig. 1 schematisch den Querschnitt eines bekannten Thyristors,
Fig. 2 das Ersatzschaltbild eines Thyristors nach Fig. 1 im gezündeten Zustand,
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Thyristor nach der Erfindung (ohne Kathodenmetallisierung),
Fig. 4 einen Querschnitt des Thyristors nach Fig. 3 entlang der Schnittlinie S-S,
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Fig. 5 eine Schaltungsanordnung mehrerer parallel geschalteter Thyristoren nach der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Thyristor dargestellt, dessen Kathoden-, P-Basis-, N-Basis-, und Anodenzone mit 1, 2, 3 und 4· bezeichnet sind. Die jeweiligen Zonenübergänge sind mit J1 , J- und J benannt. Die Kathoden- und Anodenzone sind mit den Kontakten K und A und die P-Basiszone 2 mit dem Gate G versehen. Unter dem Gate G weist die P-Basiszone 2 eine höhere (P ) Dotierung auf als unter der Kathodenzone 1.
Soll das Gate als Zündgate wirken, so muss der zwischen Kathodenzone 1 und Gate liegende laterale Widerstand R„v
bis.
möglichst klein sein, weil dann die über diesem Widerstand abfallende Spannung klein ist und die am Gate liegende Spannung unmittelbar auf den Zonenübergang J1 wirkt. Vorzugsweise soll der an dem Widerstand Rnv. abfallende Span-
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nungsabfall bei dem minimalen Zündstrom Ii, kleiner als 0,2 V betragen. Der Thyristor zündet aann selbst bei kleiner Anodenspannung. Um den Bahnwider stand R_,v möglichst klein zu
oJS.
machen wird der Abstand zwischen Gate, bzw. gateseitigen Rand der P -Zone 5, und dem gateseitigen Rand der Kathodenzone 1 möglichst klein gemacht. Eine weitere Möglichkeit die Zündempfindlichkeit zu erhöhen besteht darin, den kathodenseitigen Gaterand möglichst kurz zu wählen.
Anders als im Falle des Zündgates ist bei der Dimensionierung des Generatorgates zu beachten, dass der zwischen Gate, bzw. der P -Zone, und der Kathodenzone 1 befindliche laterale Widerstand R£K möglichst gross gewählt wird. Mindestens sollte R' dreimal grosser sein als Rn,,. Dieses
bi\ bÄ
soll anhand des in Fig. 2 dargestellten Ersatzschaltbildes eines gezündeten Thyristors erläutert werden. Danach besteht der gezündete Thyristor zwischen Kathodenkontakt K
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und Anodenkontakt A aus einer in Flussrichtung gepolten, durch den Uebergang J, gebildeten Diode und zwei den ohmschen Spannungsabfall im überschwemmten Gebiet (P- und N-Basiszone 2 und 3) charakterisierenden Widerstände R-.
und R„. Zwischen Gate G und Anode A liegt hingegen eine reine Transistorstruktur. Dieser Transistor T wird durch den lateralen Elektronenstrom in der N-Basis 3 über einen entsprechenden Bahnwiderstand R„ angesteuert. Sobald nun die Kollektor-Emitterspannung an dem Thyristor die Sättigungsspannung U .. . überschreitet, fliesst ein konstanter Kollektorstrom I . Der vom Gate G entnehmbare Strom I,
ist dann: 1G = 1C ■ ugk - Uj1
RGK
Je nach Grosse des Bahnwiderstandes Ri11x. in der P-Basiszone
his.
2 überlagert sich dem Kollektorstrom I noch ein weiterer Strom. Eine Erhöhung des Generatorstromes Ig ist also - abgesehen von der Wahl eines längeren Gaterandes - im wesentlichen dadurch möglich, dass der Bahnwiderstand und/ oder der Kollektorstrom I entsprechend gross gewählt werden. Einen grossen Wert für I erhält man insbesondere dann, wenn der durch den Thyristor fliessende Strom J entsprechend gross gewählt wird, da I s** \J j ist; wobei j die Stromdichte des gezündeten Thyristors unterhalb der Kathode bedeutet. Für grosse Widerstandswerte RI„ kann das Gate im Idealfall den Strom I bei einer Spannung von
U. v - U ..... liefern.
AK .sattig
Aus den vorstehenden Ausführungen folgt, dass es wenig sinnvoll wäre bei parallelgeschalteten Thyristoren nur jeweils ein einziges Gate zu verwenden und diese unterein-
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ander zu verkoppeln, weil die Forderungen nach grossen Generatorströmen oder hoher Zündempfindlichkeit entweder zu entgegengesetzten Lösungen führen (grosser bzw. niedriger Bahnwiderstand Rn ', lange bzw. kurze Randlänge des Gates) oder aber Ströme J erfordern, die ein Vielfaches des Nennstromes betragen können. Letzteres liesse sich aber nur selten realisieren, weil die Gefahr bestände, dass jeweils der gezündete Thyristor zerstört werden würde. So betrug beispielsweise bei einem im Handel erhältlichen Thyristor mit Zentralgate und einer Randlänge von 2,4 cm, der erforderliche Zündstrom 4-15 mA. Der Generatorstrom I„ hingegen
betrug selbst bei einem Strom J von 1500 A (i «i 100 A/cm) ° ο Jo
nur 2M-0 mA und reichte daher nicht aus, um einen parallelgeschalteten entsprechenden Thyristor zu zünden.
In den Figuren 3 und 4 ist dieser Thyristor mit geänderter Gatestruktur dargestellt. Weder die mit 6 bezeichneten EmitterkurζSchlüsse noch die Dotierungen oder Abmessungen der Zonen 3 und 4· wurden geändert. Hingegen wurde das Zentralgate durch die beiden nebeneinanderliegenden Gates,
2Θ das Zündgate ZG und das Generatorgate GG, ersetzt. Die Randlänge des Zündgates ZG beträgt 1 cm und diejenige des Generatorgates GG ist etwa doppelt so lang. Der Bahnwiderstand zwischen Zündgate ZG und Kathodenzone 1 wurde von ursprünglich 300 yum auf 50 bis 100 tun verringert. Zur Zündung reicht dann eine Gatespannung von 1 V bei einem Zündstrom von nur 17 5 mA aus.
Der Abstand zwischen Gate und Kathode, gemessen vom kathodenseitigen Rand der P -Zone 5" bis zum gateseitigen Rand der Kathodenzone 1, beträgt 100 bis 200yum. Zur Erhöhung des entsprechenden Bahnwiderstandes R' erfolgt eine zusätzliche Aetzung eines Grabens 7 in der P-Basis 2. Der
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Graben weist eine Tiefe von 30 bis 4-0 Jum auf. Diese Grabenätzung bietet den Vorteil, dass der Widerstand RIV stark erhöht werden kann, ohne dass der Abstand des Gates von der Kathodenzone zuzunehmen braucht.
Zur Kontaktierung weisen die Gates nebeneinander liegende metallisierte Flächen 8, 81 auf. Für den Thyristor sind diese Bereiche völlig passiv. Zur Isolierung gegen die P-Basis 2 wird die Metallisierung auf eine dünne Oxidschicht (1500 bis 2000 A) 9 aufgebracht. Der Stromstoss, der bei einem Spannungsanstieg in diesem Bereich entsteht, kann über benachbarte Kurzschlüsse 10 an die Kathode abgeführt werden.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, kann zur Verkopplung mehrerer parallelgeschalteter Thyristoren Th,, Th , Th- jeweils das Generatorgate GG des einen direkt mit dem Zündgate ZG . des nächsten Thyristors verbunden werden.
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Claims (7)

BBC Aktiengesellschaft P/dh Brown, Boveri &Cie. . 2830382 Baden (Schweiz) Patentansprüche
1. Leistungsthyristor mit mindestens zwei auf der kathodenseitigen Basiszone angeordneten Elektroden, wobei eine der beiden Elektroden als Steuerelektrode (Zündgate) und die zweite Elektrode zur Entnahme eines Stromes (Generatorgate) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem Generatorgate, GG, und der Kathodenzone (1) befindliche laterale Bahnwider stand, RI1,, und/
la Jx
oder die Randlänge des Generatorgates, GG, so gross gewählt sind/ist, dass der am Generatorgate, GG, des gezündeten Thyristors - bei einem Anodenstrom, der kleiner als der Stossstromgrenzwert des jeweiligen Thyristors ist - entnehmbare Strom, I_, ausreicht, um einen entsprechenden parallelgeschalteten Thyristor über dessen Zündgate, ZG, zu zünden, und dass der zwischen Zündgate, ZG, und Kathodenzone (1) liegende laterale Widerstand, Rq^j möglichst klein (RG„ -< R^) gewählt ist, damit die an dem Zündgate, ZG, liegende Zündspannung direkt auf den kathodenseitigen Emitterübergang, J1, wirken kann.
2. Leistungsthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Thyristor mit Emitterkurzschlüssen (6) zwischen den lateralen Widerständen, · Rp^. bzW'Rpi- , die zwischen Generatorgate bzw. Zündgate und Kathodenzone (1) liegen, die folgenden beiden Beziehungen gelten:
RGK .< 1
RG.K - 3
1G · RGKS0'2 V
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wobei mit II der minimale Gatestrom bezeichnet ist s bei dem der Thyristor noch zündet.
3. Leistungsthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Zündgate, ZG, und ein Generatorgate,. GG, nebeneinander angeordnet sind, dass die Kontaktierung des Gates mit der Basiszone (2) über einen schmalen 'der Kathode zugewandten Randbereich (5, 5', 5") erfolgt, unter dem die Randkonzentration der Basiszone (2) grosser ist, als in dem Bereich zwischen Gate und Kathodenzone (1), und dass zwischen dem übrigen Teil des Gates und der Basiszone (2) sich eine 500 bis 2000 A dicke Isolierschicht (9) befindet.
4. Leistungsthyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Teil des Gates, der gegenüber der Basiszone (2) isoliert ist, jeweils ein streifenförmiger Emitterkurzschluss (10) vorgesehen ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer bestimmten Thyristorstruktur die gewünschte Zündempfindlichkeit des Zündgates durch Verkleinerung des zwischen Gate, ZG, und Kathodenzone (1) befindlichen lateralen Bahnwiderstandes, Rei<s eingestellt wird und . dass der erforderliche Generatorstrom durch Vergrösserung des entsprechenden lateralen Bahnwiderstandes, R'v, und/oder durch Erweiterung der Randlänge des Generatorgates , GG, eingestellt wird.
6- Verfahren nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet., dass der laterale Bahnwiderstand, R^>, zwischen Generatorgate, GG, und Kathodenzone (1) dadurch vergrössert wird,
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dass in diesem Bereich der Basiszone ein etwa 30 bis 40 /tun tiefer Graben geätzt wird.
JUJIl
7. Verwendung der Thyristoren nach Anspruch 1 bis 3, in einer Stromrichterschaltung, in der mehrere Thyristoren parallel geschaltet sind, wobei jeweils das Generatorgate, GG, des einen direkt mit dem Zündgate, ZG, des nächsten Thyristors verbunden ist.
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DE19782830382 1978-06-15 1978-07-11 Leistungsthyristor, verfahren zu seiner herstellung und verwendung derartiger thyristoren in stromrichterschaltungen Withdrawn DE2830382A1 (de)

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