DE3116844A1

DE3116844A1 - Thyristorschaltung

Info

Publication number: DE3116844A1
Application number: DE19813116844
Authority: DE
Inventors: Barry Wayne Acton London Williams
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-02-05
Filing date: 1981-04-28
Publication date: 1982-11-11
Also published as: GB2069255A; GB2069255B; CH641298A5

Description

31168U

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit einem Thyristor, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine mit einem Thyristor bestückte, integrierte Halbleitervorrichtung.

Thyristoren sind Halbleiter mit einem p-n-p-n-Aufbau und einem Steuertor, womit eine verhältnismäßig hohe Leistung durch einen verhältnismäßig schwachen Steuerimpuls geregelt werden kann. Thyristoren umfassen gesteuerte Halbleitergleichrichter, die meist nur in einer Richtung durchsteuern sowie Triacs, die in beiden Richtungen leiten. In beiden Fällen wird die Vorrichtung durch einen Anschaltimpuls am Steuertor beaufschlagt, wobei sie solange durchsteuert, bis der Hauptstrom unter einen minimalen Pegel (Haltestrom) abfällt, der erforderlich ist, die Mitkopplungswirkung zu unterstützen, welche das Gerät in durchgesteuertem Zustand hält. Diese Vorrichtungen werden meist zur Schaltung von Wechselströmen verwendet, und können nur bei sehr komplizierten Schaltungen zur Steuerung von Gleichströmen eingesetzt werden, wenn sonst keine Einrichtung zur Abschaltung des Gerätes zur Verfügung stehen würde. Der Verstärkungsgrad und die Ansprechzeit dieser Schaltungen sind begrenzt. Es wurde eine Vorrichtung vorgeschlagen, die mit einem Impuls abgeschaltet werden kann, dessen Polarität der des Anschaltimpulses entgegengesetzt ist. Diese Vorrichtungen weisen jedoch eine Erholungszeit oder einen Sperrverzug von 10-20 Mikrosekunden nach dem Abschalten auf, in der die Vorrichtung wieder durch den ansteigenden Hauptstrom beaufschlagt werden kann, wobei sich eine enttäuschende Abschaltverstärkung und Abschaltzeit ergaben (ca. 5-10 und etwa 10-20

Mikrosekunden.)

Die Erfindung bietet eine Thyristorschaltung zur Steuerung von Gleichströmen, beispielsweise in einem Gleichstromzerhacker oder Wechselrichter, und die mit einem Verstärkungsgrad in der Größenordnung von 100 und einer Abschaltzeit in der Größenordnung von einigen wenigen Mikrosekunden arbeiten kann.

Erfindungsgemäß ist eine Schaltung mit einem Thyristor vorgesehen, der mit einer ersten und zweiten Elektrode sowie einer gemeinsamen Steuertorelektrode bestückt ist, um einen Hauptstrom zwischen der ersten und zweiten Elektrode auszulösen und diesen zu unterbrechen, wobei die Schaltung noch weitere Schaltglieder enthält, die eine genügend niedrige Impedanz bieten, welche zum Strompfad des Thyristors zwischen dem Steuertor und der zweiten Elektrode parallelgeschaltet ist, damit der Hauptstrom unter den Pegel abfällt, der erforderlich ist, diesen durch Erholungsoder Mitkopplungswirkung beizubehalten.

Die Schaltung ist vorzugsweise eine integrierte Halbleitervorrichtung, wobei die verschiedenen Schaltungsbauteile auf einem einzigen Halbleiterträger ausgeformt sind und die Schaltung mit einem ersten und zweiten Anschluß zur Leitung des Hauptstromes, einem ersten Steuertoranschluß zur Aufnahme eines Anschaltimpulses zur Auslösung des Hauptstromes sowie eines zweiten Steuertoranschlusses zur Aufnahme des Abschaltimpulses für die Beendi-

gung des Hauptstromes ausgestattet ist. Die Vorrichtung kann durch Anwendung genormter Verfahren hergestellt werden.

Die Schaltvorrichtung kann mindestens einen Transistor sowie einen bipolaren npn- oder pnp-Transistor bzw. auch einen FeId-

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effekttransistor enthalten, die eine hohe Stromverstärkung gewähren. Beispielsweise kann die Schalt- oder Steuervorrichtung zwei doppelpolige Transistoren enthalten, wobei der Emitter des einen Transistors an die Basis des anderen gekoppelt ist, dessen Kollektor-Emitterweg parallel zum Strompfad Steuertor-zweite Elektrode des Thyristors geschaltet ist, wobei ein an der Basis des einen Transistors anstehender Abschaltimpuls eine Sättigung des anderen Transistors bewirkt, wodurch ein Strompfad von genügend niedriger Impedanz parallel zum Strompfad Steuertorzweite Elektrode geschaffen wird, um den Thyristor abzuschalten.

Die Schaltung umfaßt auch vorteilhafterweise eine steuerbare Nebenschlußvorrichtung, die einen weiteren Strompfad zwischen zwei benachbarten Bereichen des Thyristors von entgegengesetzter Polarität bietet, von denen keiner den Steuertorbereich darstellt, um diesen Bereich beim Abschalten empfindlicher zu machen und damit die Abschaltzeit zu verbessern.

Ein Verstärkungsschalttor kann vorgesehen sein, das ein Anschaltsignal an die gemeinsame Steuertorelektronik anlegt, um ein schnelles Anschalten zu gewährleisten.

Der Hauptthyristor kann ein gesteuerter Halbgleichrichter oder ein Triac sein. Im ersten Fall kann eine rückwärts leitende Thyristordiode den Stromfluß zwischen der Kathode und der Anode in Gegenrichtung zum Hauptstrom leiten.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfin-

dungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen integrierten

Halbleitervorrichtung,
Fig. 2 einen Grundriß der Vorrichtung während der Herstellung,

gesehen unterhalb der Fig. 3 und 4, Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung längs der

Linie OA¹ in Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt durch die Vorrichtung längs der Linie OB'

der Fig. 2,
Fig. 5 ein Kurvenbild für die Schalt- und Steuercharakteristik der Vorrichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gesteuerter Halbleitergleichrichter zum Abschalten eines Steuertores genannt werden, und es sei bemerkt, daß die Vorrichtung praktisch eine Anzahl von Halbleitern umfaßt, die auf einem einzigen Halbleiterträger integriert sind. Aufbau und Funktion der Vorrichtung sind leichter aus der Ersatzschaltung der Fig. 1 ersichtlich, wobei ausdrücklich bemerkt wird, daß dieses Schaltbild nur als Modell dient. In der Praxis lassen sich die verschiedenen Bereiche der verschiedenen Schaltbauteile körperlich nicht trennen, und der wiMiche Aufbau kann etwas komplizierter sein.

Die Schaltung der Fig. 1 umfaßt einen gesteuerten Haupt-pnpn-Halbleitergleichrichter SCR1 mit einer Anode 1, einer Kathode 2 und einer gemeinsamen Steuerelektrode 3 zur An- und Abschaltung der Vorrichtung. Diese wird dadurch angeschaltet, daß ein positiver Impuls an einem ersten Steueranschluß g1 angelegt wird,der

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durch einen gesteuerten Hilfshalbleitergleichrichter SCR2 "verstärkt" wird, der an die gemeinsame Steuerelektrode 3 gekoppelt ist, wodurch eine schnelle Anschaltung (hohe di/dt Möglichkeit) des Gerätes gewährleistet wird. SCR2 schaltet ab, wenn SCR! angesteuert wird.

Die Vorrichtung wird dadurch abgeschaltet, daß ein positiver Impuls an einen zweiten Steuertoranschluß g2 angelegt wird, der dazu dient, die beiden bipolaren Transistoren T1 und T2 einer abgeänderten Darlington-Schaltung anzuschalten. Die Anordnung wirkt so, daß der Transistor T2 schnell gesättigt wird und einen niederohmigen Strompfad parallel zum gemeinsamen Steuertor-Kathodenstrompfad von SCR1 bildet. Dadurch wird ein hoher Anteil des Hauptstromes über den Transistor durch die Steuerelektrode 3 kurzgeschlossen, wodurch der Strom, der zwischen dem Steuertor und dem Kathodenbereich von SCR1 läuft, unter den Pegel abfällt, der erforderlich ist, um den SCR1 durch Mxtkopplungswirkung beaufschlagt zu halten. Der über SCR1 laufende Hauptstrom wird somit auf Null verringert und bleibt auf diesem Pegel, bis g1 impulsgesteuert wird. Der Abschaltmechanismus stellt praktisch eine Erhöhung der dynamischen Haltestromforderung der Vorrichtung auf einen Pegel dar, der über dem des durchsteuernden Hauptstromes durch Verkleinerung der zwischen dem Steuertor und der Kathode wirkenden Impedanz liegt.

Die Schaltung umfaßt auch einen dritten doppelpoligen Transistor T3, der einen steuerbaren Ausweichstrompfad zwischen den P und N-Bereichen des SCR1 neben der Kathode bildet. Der Transistor T3 dient somit zur Absicherung dafür, daß der Abschaltvorgang

vorzugsweise im NPN-Abschnitt von SCR1 abläuft. Damit wird der Steuertorbereich von SCR1 sehr empfindlich und kann den Hauptstrom mit einer schnellen Ansprechzeit abschalten. Ein Widerstand r5 gestattet die Steuerung des Verstärkungsgrades des PNP-Abschnittes vom SCRl und verbessert das Verhältnis dt/dt sowie die Abschaltzeit.

In Abhängigkeit vom speziellen Einsatzgebiet der Vorrichtung, z. B. für sich erholende oder mitgekoppelte Gleichspannungszerhacker oder Wechselrichter kann eine in Gegenrichtung leitende Diode d2 anti^:- parallel zum SCR1 geschaltet werden, damit in diesem der· Strom in Gegenrichtung zum Hauptstrom fließen kann. Die Widerstände r3 und r4 dienen zur Querkopplung der Bereiche von d2 an die aktiven Bereiche des SCR1, wobei diese Widerstände die Seitentrennung dieser Bereiche in der integrierten Schaltvorrichtung darstellen.

T1 weist einen verhältnismäßig hohen Spannungsbedarf auf, der noch durch die Zuschaltung der Widerstände r1, r1' und einer Diode d1 erhöht wird, die zur Erhöhung des Spannungsnenndurchschlags Vceo von T1 auf einen Wert dienen, der näher bei Vcbo liegt und damit die Abschaltzeit verbessern. T2 weist einen verhältnismäßig niedrigen Spannungsbedarf (10-20 V) auf, wodurch man bei der Auslegung der Vorrichtung für die Optimierung bestimmter Parameter einen größeren Freiheitsgrad gewinnt, um eine höhere Stromaufnahme, schnelle Umschaltung, hohen Verstärkungsgrad und niedrige Sättigungsspannung zu gewinnen. Damit der Hauptstrom nicht durch T2 fließen kann, ist er mit einem kleinen Effektivbereich ausgelegt, um einen scharfen Verstärkungsabfall· über seinem maximalen Soll— strompegel zu erzielen. Zwischen die Steuerelektrode 3 und die

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Kathode 2 ist ein Widerstand r2 geschaltet, der den Abschaltprozeß unterstützt.

Die verschiedenen Schaltbausteine der Fig. 2 bis 4 werden durch Diffusion, loneneinbau oder Bestrahlung beider Seiten eines N-Siliziumträgers 4 gewonnen. Der N-Bereich der Fig. 3 kann im Aufwachsverfahren erzielt werden. Eine Aluminiummetallisationsschicht 6 ist auf jeder Seite des Trägers vorgesehen, wodurch Stromverluste durch entsprechendes Anphasen der Kante des Trägers 5 und durch Umschließen der Seiten mit Passivierungsmaterial 7 so gering wie möglich gehalten werden. Der Träger ist zwischen zwei nicht gezeigte Druckkontakte eingebettet und in herkömmlicher Weise verkapselt.

Fig. 2 ist eine Ansicht des Trägers 4 von der Unterseite der Fig. 3 und zeigt das Anschaltsteuertor g1 sowie das Abschalttor g2 vor der Metallisierung. In der Praxis wird die Kathodenmetallisierung dicker ausgeführt als die Steuertormetallisierung, so daß der Druckkontakt der Kathode keine elektrische Verbindung mit den Steuertoren herstellt. Der elektrische Kontakt mit den Steuertoren erfolgt durch nicht gezeigte Drahtleitungen. Die den verschiedenen Bausteinen entsprechenden Bereiche des Trägers 4 sind durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet, mit denen diese Bausteine in Fig. 1 bezeichnet werden. Man erkennt, daß SCR1 ringförmig aufgebaut ist. Die Emitter von T1 und T2 sind hochdotiert, um einen hohen Verstärkungs- und Leistungsgrad zu erzielen. Es sei bemerkt, daß die Anwesenheit des Abschalttores nicht die Hochspannungseigenschaften von SCR1 nachteilig beeinflußt, da trotz des Aufbaus der N-Bereich und der Anodenbereich

von SCR1 intakt bleiben. Die Seitentrennung von T1 vom Hauptaufbau von SCR1 liefert die erforderliche elektrische Isolierung.

Der p-n-p-Transistor 3 ist in die Grundstruktur p-n-p-n dadurch eingebaut, daß bestimmte gewählte Bereiche des Trägers nach der hauptsächlichen Eindiffundierung von P vom Typ N bleiben können. r5 wird durch Anodenkurzschlußverbindungen und r2 durch Kurzschlußverbindungen der Steuertoreindiffundierung gebildet, die nach der Kathodendiffusion übrigbleiben. Diese Kathodenkurzschlußverbindungen werden in Bereichen größer und zahlreicher, die am weitesten vom Abschaltatouertor entfernt liegen. Golddotierung bzw. die Dotierung mit Neutronenumwandlung des Trägers können zur gebrauchslebenslangen Kontrolle der Abschalteigenschaften verwendet werden sowie auch, um einen dünneren Träger zu ermöglichen und damit geringere Betriebsspannungen zu erzeugen.

Fig. 5, in welcher die Anoden/Kathodenspannung V über der Zeit t aufgetragen ist, zeigt die Ein- und Ausschaltcharakteristik der vorstehend beschriebenen Vorrichtung. Die Stromverstärkung von T3 ist wichtig sowohl für die Ermittlung der Abschaltverzögerung und der Anstiegszeit, wobei Fig. 5 entsprechend die An- und Abschaltspannungen für verschiedene Verstärkungsgrade von T3 zeigt. Daraus ergibt sich, daß durch Wahl eines geeigneten Verstärkungsgrades für T3 eine Last von 1 kW mit einer Laufverzögerung von einer Mikrosekunde mit Hilfe eines Steuerimpulses von 1 W + 10 V abgeschaltet werden kann. Liegt der Steuerimpuls nicht mehr an, so ist der Abschaltvorgang beendet. Somit weist die Vorrichtung eine Erholungszeit von 2-3 Mikrosekunden auf. Außerdem läßt sich eine Abschaltverstärkung, die das Verhältnis des Haupt-

stromes zum Steuerstrom darstellt, von mehr als 100 mit dieser Vorrichtung erreichen.

Eine gleiche Vorrichtung kann für die Durchsteuerung des Stromes in beiden Richtung hergestellt werden. Diese Vorrichtung könnte ein Steuertor-Äbschalttriac genannt werden.

Leerseite

Claims

Patentanwälte

Dipl. Ing. H. Haucfc

Dipl. Phys. W. Schmitz

Dipl. Ing. E. Graalfs

Dipl. Ing. W. We:-.·-; it

Dr.-Ip.fj. VV. DOn

Barry Wayne WILLIAMS

Garden Fiat, 3 Alfred Road Anwaltsakte M-5458

Acton, London, England 24. April 1981

Thyristorschaltung

Patentansprüche

Schaltung mit einem Thyristor, der eine erste und zweite Elektrode sowie eine Elektrode in Form eines gemeinsamen Steuertorbereiches aufweist, um einen Hauptstromfluß zwischen der ersten und zweiten Elektrode auszulösen, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Steuertorelektrode (3) auch zur Abschaltung des Hauptstromes dient, daß die Schaltung außerdem SchaItvorrichtungen (T1, T2) aufweist, die einen Strompfad von genügend niedriger Impedanz parallel zum Strompfad des Thyristors (SCR1) zwischen dem Steuertor (3) und der zweiten Elektrode (2) bieten, damit der Hauptstrom unter den Pegel abfällt, der erforderlich ist, den Stromfluß durch Erholungswirkung beizubehalten.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein integrierter Halbleiter ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Schaltbausteine durch Diffusion, Ioneneinbau und Bestrahlung von beiden Seiten eines Halbleiterträgers (4) gebildet werden.
4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem ersten und zweiten Anschluß (1, 2) versehen ist, über welche der Häuptstrom geführt ist, daß ein erstes Steuertor (g1) einen Anschaltimpuls zur Auslösung des Hauptstromflusses empfängt und an einem zweiten Steuertor (g2) ein AbschaItimpuls zur Beendigung des Hauptstromflusses anliegt.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung mindestens einen Transistor (T1, T2) aufweist, der eine hohe Stromverstärkung liefert.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T1, T2) ein bipolarer npn- oder pnp-Transistor bzw. ein Feldeffekttransistor sind.
7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,daß die Schaltvorrichtung zwei bipolare Transistoren (T1, T2) aufweist, wobei der Emitter des einen Transistors (T1) an die Basis des anderen Transistors (T2) geführt ist, dessen Kollektor-Emitterpfad parallel zum Strompfad von Steuertor-zweiter Elektrode des Thyristors (SCR1) geschaltet ist, wodurch ein an der Basis des einen Transistors (T1) anliegender Abschalt-

impuls eine Sättigung des anderen Transistors (T2) bewirkt und damit einen Strompfad niedriger Impedanz parallel zum
Strompfad des Thyristors (SCR1) schafft.
8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine steuerbare Nebenschlußvorrichtung (T3) aufweist, die einen Ausweichstrompfad zwischen zwei benachbarten Bereichen von entgegengesetzter Polarität des Thyristors (SCR1) schafft, von denen keiner der Steuertorbereich (3) ist.
9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsglied (SCR2) dafür vorgesehen ist, um ein Abschaltsignal an die gemeinsame Steuerelektrode (3) anzulegen.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein gesteuerter Halbleiterkontrollgleichrichter (SCR2) ist.
11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor ein gesteuerter Halbleitergleichrichter (SCR1) ist.
12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine rückleitende Diode (d2) parallel zum Thyristor (SCR1) geschaltet ist, damit der Strom in Gegenrichtung zum Hauptstrom
fließen kann.

• · h

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13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor ein Triac ist.
14. Gleichspannungszerhacker oder Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Schaltung nach den vorhergehenden Ansprüchen umfaßt.