DE3751268T2

DE3751268T2 - Thyristortreibersystem.

Info

Publication number: DE3751268T2
Application number: DE3751268T
Authority: DE
Inventors: Tomokazu C O Patent Divi Domon; Akio C O Patent Divis Nakagawa; Tsuneo C O Patent Divisi Ogura; Katsuhiko C O Patent Takigami
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2007-10-01
Also published as: EP0262958A3; EP0262958A2; DE3751268D1; EP0262958B1; US4821083A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Thyristortreibersystem mit einem Vollsteuergatt-Thyristor der Doppelgatterstruktur.
Der herkömmliche Vollsteuergatt-Thyristor (abgekürzt als GTO) mit einer Einzelgatterstruktur hat ein Problem einer langsamen Schaltgeschwindigkeit. Dies beruht auf den Tatsachen, daß die Einschaltzeit lang ist, der Leistungsverlust während der Ausschaltzeitdauer aufgrund eines groben Nachstrom-Anfangswertes groß ist und die Nachzeit und Ausschaltzeit lang sind.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern des Einzelstruktur-GTO. Die Gatterelektrode eines GTO-Elementes 201 ist mit der P-Basisschicht gekoppelt. Die Gatterelektrode ist mit der Ein-Gatter-Strom- bzw. Spannungsquelle bzw. mit der Aus-Gatter-Strom- bzw. Spannungsquelle durch zugeordnete Schalter verbunden. Bezugszeichen 202 und 203 bezeichnen eine Last und eine Hauptstrom- bzw. -spannungsquelle.
Die Fig. 2A bis 2C zeigen Signalformen, die nützlich zum Erläutern des Betriebs des in Fig. 1 dargestellten GTO-Elementes 201 sind.
Der Betrieb des GTO-Elementes 201 wird im folgenden anhand dieser Figuren erläutert. Zu einer Zeit t1 wird das Schaltelement der Ein-Gatter-Schaltung beschlossen. Ein Gatterstrom IG fließt von der Ein-Gatter-Strom- bzw. Spannungsversorgung in der Pfeilrichtung in Fig. 1. Das GTO-Element schaltet ein. Vor einer Zeit t2 wird das Schaltelement der Ein-Gatter-Schaltung geöffnet, und zu einer Zeit t2 wird das Schaltelement der Aus- Gatter-Schaltung geschlossen. Der Strom fließt von der Aus-Gatter-Strom- bzw. Spannungsquelle in der Richtung, die zu derjenigen des Gatterstromes IG entgegengesetzt ist. Unter dieser Bedingung wird kein Herausziehen von Strom durchgeführt.
Eine Zeitdauer t2 bis t3 vor dem Beginn eines Anodenstromes IA ist eine Speicherzeit. Während dieser Speicherzeit verengt sich der Leitungsbereich im GTO-Element 201 graduell.
Von einer Zeit t3 an beginnt der Anodenstrom IA abzunehmen, während die Anodenspannung beginnt anzusteigen. Der Anodenstrom IA nimmt bis zu einer Zeit t4 abrupt ab. Die Zeitdauer von t3 bis t4 ist eine Abfallzeit, und die Zeitdauer von t2 bis t4 ist eine Ausschaltzeit.
Ein Wert des Anodenstromes zur Zeit t4 ist ein Nach- bzw. Endstrom-Anfangswert. Der von der Zeit t4 bes zur Zeit t5 fließende Strom ist ein Nach- bzw. Endstrom. Die Zeitdauer von der Zeit t4 bis zur Zeit t5 ist eine Nachzeit, und die Zeitdauer t2 bis t5 wird als Ausschaltperiode bezeichnet. Der Nachstrom wird durch Entladen von Restladungen aus der N-Basisschicht verursacht. Der Leistungsverlust P (= VA x IA) während der Periode t1 bis t5 verändert sich, wie dies in Fig. 2C gezeigt ist.
Wie aus der Fig. 2C zu ersehen ist, tritt ein großer Leistungsverlust während der Zeitdauer bzw. Periode von t3 bis t5 auf. Wenn diese Periode sorgfältig beobachtet wird, kann sofort verstanden werden, daß die lange Abfallperiode t3 bis t5 den Leistungsverlust steigert, und der große Nachstrom-Anfangswert erhöht den Leistungsverlust während der Nachperiode.
Eine Maßnahme, die ergriffen wurde, um den Leistungsverlust während der Ausschaltperiode zu vermindern, ist ein Verringern der Lebensdauer der Ladungsträger in dem GTO-Element durch Elektronenbestrahlung oder durch einen Schwermetall-Dotierprozeß. Diese Maßnahme hat jedoch Probleme in einer Steigerung des Einschaltverlustes und einer Erhöhung des Vorwärts-Spannungsabfalls.
Der Vollsteuergatt-Thyristor der Doppelgatterstruktur, auf den sich die Erfindung bezieht, ist in dem Patent (KOKAI) JP-A-60 247 969, Erfinder: Kawamura u.a., eingereicht am 23. Mai 1984 durch Touyou Denki Seizou Co., Ltd., beschrieben. Dieses Dokument offenbart den Doppelgatter-SI-Thyristor der N-Puffer-Struktur. Ein anderes Patent (KOKAI) Nr. 59-52876, das der EP-A-0 103 181 entspricht, beschreibt das Verfahren zum Ansteuern eines Doppelgatter-Thyristors mit Stromquellen zwischen der P-Basis und einem N-Emitter. Insbesondere offenbart diese Druckschrift einen Thyristor mit einer Anoden/Emitterschicht des p-Leitfähigkeitstyps, einer ersten Basisschicht des n-Leitfähigkeitstyps, die die Anoden/Emitterschicht kontaktiert, um einen ersten pn-Übergang zu bilden, einer zweiten Basisschicht des p-Leitfähigkeitstyps, die die erste Basisschicht kontaktiert, um einen zweiten pn-Übergang zu bilden, einer Kathoden/Emitterschicht des n-Leitfähigkeitstyps, die die zweite Basisschicht kontaktiert, um einen dritten pn-Übergang zu bilden, einer Anodenelektrode, die mit der Anoden/Emitterschicht verbunden ist, einer Kathodenelektrode, die mit der Kathoden/Emitterschicht verbunden ist, einer ersten Gatterelektrode, die an die erste Basisschicht angeschlossen ist, einer zweiten Gatterelektrode, die mit der zweiten Basisschicht verbunden ist, einer ersten Einrichtung, die zwischen der ersten Gatterelektrode und der Anodenelektrode verbunden ist, um an die erste Gatterelektrode eine erste Ausschaltvorspannung zu legen, die das Ausschalten des Thyristors erlaubt, und einer zweiten Einrichtung, die zwischen der zweiten Gatterelektrode und der Käthodenelektrode verbunden ist, um an die zweite Gatterelektrode eine zweite Ausschaltvorspannung für den dritten pn-Übergang zu legen, wobei die erste Ausschaltvorspannung bezüglich des ersten pn-Überganges umgekehrt ist. Keine der obigen Veröffentlichungen löst vollständig die oben beschriebenen Probleme.
Die Patentbeschreibung JP-A-61 182 261 beschreibt einen Thyristor mit den im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9 angegebenen Merkmale, wobei insbesondere ein Paar von MOS-Transistoren jeweils zwischen einem Gatter und der Anode und einem anderen Gatter und der Kathode angeschlossen sind. Die Transistoren sind nebengeschlossen, um nahezu die Potentialdifferenz über den jeweiligen Gatter/Anode und Gatter/Kathode auszugleichen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Thyristor-Treibersystem vorzusehen, das den Leistungsverlust, der auftritt, wenn der GTO der Doppelgatterstruktur ausgeschaltet wird, vermindern kann und das die Schaltgeschwindigkeit verbessern sowie mit hoher Frequenz angesteuert werden kann.
Die Erfindung sieht ein Thyristor-Treibersystem in Kombination mit einem GTO-Thyristor gemäß Anspruch 1 und ein Steuerverfahren gemäß Anspruch 9 vor.
Ein GTO der Doppelgatterstruktur nach der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Einrichtung zum Vermindern der Abschaltzeit des Anodenstromes bei der Ausschaltzeit und eine Einrichtung zum Verringern des Nachstrom-Anfangswertes des Anodenstromes.
In einem Treibersystem zum Ansteuern des GTO der Doppelgatterstruktur vermindert die Nachzeit-Verringerungseinrichtung die Abfallzeit des Anodenstromes, wenn der Thyristor ausgeschaltet wird, und die Nachstrom-Anfangswert-Verringerungseinrichtung reduziert den Nachstrom-Anfangswert des Anodenstromes.
Daher kann der Leistungsverlust als das Produkt der Anodenspannung und des Anodenstromes verringert werden. Die Verringerung der Abfallzeit des Anodenstromes bei der Ausschaltzeit verbessert die Schaltgeschwindigkeit, was einen Hochfrequenz-Schaltbetrieb erlaubt.
Die Erfindung wird aus der folgenden Detailbeschreibung von herkömmlichen Strukturen und von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:
Fig. 1 ein Schaltdiagramm eines herkömmlichen Thyristor-Treibersystems zum Ansteuern eines Vollsteuergatt-Thyristors (GTO) der Einzelgatterstruktur zeigt;
Fig. 2A bis 2C Signalformen zeigen, die zum Erläutern des Eetriebs eines GTO der Einzelgatterstruktur, der durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung angesteuert ist, nützlich sind,
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm eines Thyristor- Ansteuersystem zum Ansteuern eines GTO der Doppelgatterstruktur, welcher kein Beispiel dieser Erfindung ist, jedoch welcher das Verständnis der Erfindung erleichtert, zeigt,
Fig. 4A bis 4D Signalformen zeigen, welche zum Erläutern des Betriebs des GTO der Doppelgatterstruktur nützlich sind, der durch das in Fig. 3 gezeigte Treibersystem angesteuert ist, wobei jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung vorliegt,
Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm eines Thyristor- Treibersystems zum Ansteuern eines GTO der Doppelgatterstruktur zeigt, wobei jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung vorliegt,
Fig. 6A bis 6D Ausgangssignalformen der in Fig. 5 dargestellten GTO-Vorrichtung zeigen,
Fig. 7A bis 7D Serien von schematischen Darstellungen des GTO sind, wenn dieser durch das in Fig. 5 dargestellte Treibersystem angesteuert ist,
Fig. 8 eine Folge von Signalformen zeigt, die zum Erläutern des Betriebs des GTO nützlich sind, der unter die Signale von Signalformen der Fig. 6A bis 6D gebracht ist, welche von dem System der Fig. 5 ausgegeben sind,
Fig. 9 eine Folge von Signalformen bei Schlüsselpunkten in dem GTO-Treibersystem zeigt, wenn das an die erste Elektrode gelegte Eingangssignal von dem Eingangssignal für die zweite Gatterelektrode verzögert ist,
Fig. 10 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung einer Veränderung des Ausschaltverlustes bezüglich einer Zeit Δt zeigt,
Fig. 11 eine Schaltungsanordnung eines Treibersystems für den GTO gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 12A bis 12H Betriebssignalformen des GTO sind, wenn dieser durch das Treibersystem der Fig. 11 angesteuert ist,
Fig. 13 ein Flußdiagramm zeigt, das den Ablauf eines Rechenprozesses darstellt, der in der Recheneinheitsschaltung gemäß Fig. 11 durchgeführt wird,
Fig. 14A und 14B Profile von Ladungsträger-Konzentrationsverteilungen im GTO zeigen, welche beobachtet werden, wenn der GTO arbeitet,
Fig. 15A und 15B Schnittdarstellungen bzw. eine Draufsicht sind, die die interne Struktur der GTOs der Fig. 3, 5 und 10 darlegen,
Fig. 16 eine Schaltungsanordnung eines Antriebs zum Ansteuern des GTO in einer Weise, die kein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, zeigt,
Fig. 17A bis 17D einen Satz von Signalformen zeigen, die zum Erläutern des Betriebs des GTO nützlich sind, wenn dieser durch das GTO- Treibersystem von Fig. 15 in einer Weise, die kein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, angesteuert ist, und
Fig. 18 und 19 Modifikationen des in den Fig. 15A und 15B dargestellten GTO zeigen.
Obwohl dies kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, zeigt Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm, das ein Thyristor- Treibersystem zum Ansteuern oder Triggern eines Vollsteuergatt-Thyristors der Doppelgatterstruktur (im folgenden einfach als ein GTO-Element bezeichnet) aufweist. Der Vollsteuergatt-Thyristor der Doppelgatterstruktur hat grundsätzlich eine PNPN-Vierschichtstruktur aus einer Anoden/Emitterschicht 13, einer N-Basisschicht 11, einer P-Basisschicht 12 und einer Kathoden/Emitterschicht 14. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Anodenelektrode, und das Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Kathodenelektrode. Eine N-Basisschicht 11 ist für die erste Gatterelektrode 16 vorgesehen. Eine P- Basisschicht 12 ist für die zweite Gatterelektrode 8 vorgesehen.
Obwohl dies in Fig. 3 nicht gezeigt ist, wird die Anoden/Emitterschicht 13 mit einem Teil der N-Basisschicht 11 kurzgeschlossen.
Ein aus einer Aus-Gatterelektrode 60 und einem Schaltelement S1 bestehender Aus-Gatterimpulsgenerator 2 ist mit der ersten Gatterelektrode 16 gekoppelt. Ein aus einer Aus-Gatterelektrode 70 und einem Schaltelement S2 bestehender Aus-Gatterimpulsgenerator 3 ist mit der zweiten Gatterelektrode 18 gekoppelt.
Ein Absolutwert eines in die erste Gatterelektrode 16 fließenden Gatterstromes IGp1 ist höher als derjenige eines aus der zweiten Gatterelektrode 18 fließenden Gatterstromes IGp2. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Hauptstrom- bzw. -spannungsquelle, und das Bezugszeichen 5 ist eine Last.
Der Betrieb des GTO-Elementes, wenn dieses durch die so aufgebaute Triggerschaltung angesteuert oder getriggert wird, wird anhand der Fig. 4A bis 4D beschrieben. Strichkurven in Fig. 4 sind die Wellenformen des herkömmlichen GTO des Einzelgattertyps, welche für den Bezug verwendet werden. Der Ausschaltbetrieb des GTOElementes nach der Zeit t2 wird unter Auslassung der Beschreibung des Einschaltbetriebes erläutert.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind zu einer Zeit t2 Schaltelemente S1 und S2 geschlossen. Ein positiver Ausschaltimpuls durch die positive Aus-Gatterelektrode 60 liegt an der ersten Gatterelektrode 16. Ein negativer Ausschaltimpuls durch die negative Aus-Gatterstrom- bzw. Spannungsquelle 70 liegt an der zweiten Gatterelektrode 18. Im GTO-Element 1 werden Elektronen durch die erste Gatterelektrode 16 abgezogen. Zu dieser Zeit werden Löcher durch die zweite Gatterelektrode 18 gezogen. Als Ergebnis des Abziehens von Elektronen und Löchern wird der Leitungsbereich in der N-Basisschicht 11 und der P-Basisschicht 12 zusammengedrückt, um die Löcherinjektion von der Anoden/Emitterschicht 13 und die Elektroneninjektion von der Kathoden-Emitterschicht 14 zu beschränken.
Wie öben erläutert wurde, ist der Absolutwert des in die erste Elektrode 16 fließenden Gatterstromes IGp1 größer eingestellt als derjenige des aus der zweiten Gatterelektrode 18 fließenden Gatterstromes IGp2. Daher tritt die folgende Erscheinung im GTO-Element 1 auf.
Die Aus-Gatterimpulsgeneratoren 2 und 3 haben die gleichen Grundkonstruktionen. Es ist daher angenommen, daß die Verdrahtungsinduktivitäten L1 und L2 dieser Generatoren gleiche Werte haben.
Eine Anstiegsrate des in die erste Gatterelektrode 16 fließenden Gatterstromes IG1 und diejenige des in die zweite Gatterelektrode 18 fließenden Gatterstromes IG2 sind gegeben durch:
d I G1/dt = E1/L1
d I G2/dt = E2/L2
Da L1 = L2 vorliegt, wenn E1 > E2 gilt, entsteht
d I G1/dt > d I G2/dt
Um E1 > E2 zu realisieren, ist es erforderlich, daß die Durchbruchspannung VGR1 zwischen der Anoden/Emitterschicht 13 und der N-Basisschicht 11 höher ausgelegt ist als die Durchbruchspannung VGR2 zwischen der Kathoden/Emitterschicht 14 und der P-Basisschicht 12. Daher ist die Ladungsmenge Q1 der aus der ersten Gatterelektrode je Einheitszeit entladenen Elektronen größer als diejenige Ladungsmenge Q2 der Löcher aus der zweiten Gatterelektrode 18, d.h. Q1 > Q2. Diese Tatsache zeigt an, daß eine Folge des Zusammendrückens der N-Basisschicht 11 des Abziehens von Elektronen und der Einschränkung der Löcherinjektion aus der Anoden/Emitterschicht 13 rascher fortschreitet als die Folge des Zusammendrückens der B-Basisschicht 12 des Abziehens von Löchern und der Kathoden/Emitterschicht 14. Die Löcherinjektion aus der Anoden/Emitterschicht 14 ist eingeschränkt, bevor die Abfallzeit endet und die Nachperiode beginnt. Als Ergebnis kann die Abfallzeit zur Zeit des Ausschaltens ohne jede Steigerung des Einschaltverlustes und des Leistungsverlustes aufgrund des Vorwärts-Spannungsabfalles vermindert werden, wobei der Nachstrom-Anfangswert beträchtlich vermindert und die Nachperiode ebenfalls reduziert ist.
Somit löst das Treibersystem zum Ansteuern des GTO das Leistungsverlustproblem des GTO-Elementes und verbessert die Schaltgeschwindigkeit des GTO-Elementes.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung eines Thyristor-Treibersystems zum Ansteuern eines Doppelgattertyp-Vollsteuergatt-Thyristors.
In der Figur sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen. In Fig. 5 bezeichnet ein Bezugszeichen 20 einen Bezug-aus-Gatterirnpulsgenerator, ein Bezugszeichen 21 einen ersten Aus-Gatterimpulsgeber, ein Bezugszeichen 22 eine Aus-Gatterimpuls-Verzögerungsschaltung und ein Bezugszeichen 23 einen zweiten Aus-Gatterimpulsgeber. Da der erste Aus-Gatterimpulsgeber 21 in einem Hochpotentialzustand verwendet wird, ist er von dem Bezugsgatterimpulsgeber 20 und dem niedrigen Potential isoliert.
Die Fig. 6A bis 6D zeigen Zeitdiagramme von in Fig. 5 dargestellten Signalen S1 bis S4. Der Bezug-aus-Gatterimpulsgenerator 20 erzeugt einen Bezugsimpuls S1 als ein Rechteckwellensignal, das zu einer Zeit t1 ansteigt und zu einer Zeit t3 abfällt. Der Bezugsimpuls S1 tritt zyklisch in Intervallen t5 bis t1 auf. Der erste Gatterimpulsgeber 21 liefert einen ersten Gatterimpuls S2 während der Periode von t1 bis t2 und erzeugt danach die Impuls wiederholt. Die Aus-Gatterimpuls-Verzögerungsschaltung 22 erzeugt ein Verzögerungsimpulssignal S3, dessen positiv werdender Impuls oder Einschaltimpuls mit der Vorderflanke des Bezugsimpulses S1 synchronisiert ist und dessen negativ werdender Impuls oder Ausschaltimpuls um Δt = t4 - t3 von der Rückflanke des Bezugsimpulses verzögert ist. Der zweite Gatterimpulsgeber 23 empfängt das Signal S3 und erzeugt das zweite Gatterimpulssignal 54, dessen Einschaltimpuls zur Zeit t1 erzeugt ist und dessen Ausschaltimpuls zur Zeit t4 erzeugt ist.
Wie oben beschrieben wurde, wird der Ausschaltimpuls des zweiten Gatterimpulses S1 um Δt = t4 - t3 verzögert hinter dem Ausschaltimpuls des ersten Gatterimpulses S4 erzeugt. Die Erscheinung im GTO-Element 1, die auf die Zeitnacheilung Δt = t4 - t3 zurückgeht, wird anhand der Fig. 7A bis 7D beschrieben.
In diesen Figuren sind gleiche Teile wie in Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 5 ist die Aus-Gatter-Strom- bzw. Spannungsquelle 70 nicht dargestellt, da diese Figur lediglich Gatterimpulszeitsteuerungen zeigt.
Der positiv werdende Ausschaltimpuls S2 der Aus-Gatter-Strom- bzw. Spannungsquelle 60 liegt an der ersten Gatterelektrode 16 zur Zeit t3. Nach Empfang dieses Impulses S2 zieht die Elektrode 16 Elektronen ab, und das Zusammendrücken des Leitungsbereiches in der S-Basisschicht 11 beginnt. Elektronen beginnen, zur ersten Gatterelektrode 16 zu fließen. Der Bereich, in den Löcher aus der Anoden/Emitterschicht 13 injiziert sind, beginnt sich zur Mitte der Anoden/Emitterschicht 13 zusammenzuziehen (Fig. 7A).
Mit dem Ablauf der Zeit schreitet die Zusammenzieherscheinung weiter fort. Mit anderen Worten, die Löcherinjektion aus der Anoden/Emitterschicht 13 ist eingeschränkt, wobei jedoch die Elektroneninjektion aus der Kathoden/Emitterschicht 14 ohne jegliche Einschränkung fortdauert (Fig. 7B).
Zur Zeit t4 wird das Schaltelement S2 des Aus-Gatterimpulsgenerators 3 geschlossen, und eine negative Versorgungsspannung E2 durch die Aus-Gatter-Strom- bzw. Spannungsquelle 70 liegt an der zweiten Gatterelektrode 18. Wenn die positive Versorgungsspannung E1 an die erste Gatterelektrode 16 und die negative Versorgungsspannung E2 an die zweite Gatterelektrode 18 gelegt sind, tritt in der ersten Stufe die Zusammendrückerscheinung auch in der Kathoden/Emitterschicht 14 auf, wie dies in Fig. 7C gezeigt ist, und die Einschränkung der Elektroneninjektion aus der Kathoden/Emitterschicht 14 beginnt (Fig. 7C).
Die folgenden Erscheinungen können abwechselnd auftreten. In Anschluß an die Stufe der Fig. 7B schreitet das Zusammendrücken in der Anoden/Emitterschicht 13 weiter fort, und die Löcherinjektion aus dem Anoden/Emitter 13 hört vollständig auf. Die Ladungsträger fließen durch die Kathoden/Emitterschicht 14, die P-Basisschicht 12 und die N-Basisschicht 11, das heißt ein Transistorbetrieb tritt auf, und das Zusammendrücken erfolgt in der in Fig. 7C gezeigten Kathoden/Emitterschicht 14.
Zusätzlich endet nach Zeitablauf die Injektion von Löchern und Elektronen aus der Anoden/Emitterschicht 13 und dem Kathoden/Emitter 14. Als ein Ergebnis werden Restladungen aus der ersten Gatterelektrode 16 und der zweiten Gatterelektrode 18 entladen (Fig. 7D).
Die Nachperiode beginnt bei dem Anfang der Restladung- Entladung und endet bei dem Ende der Entladung der Restladungen.
Zur Erinnerung hat das im Beispiel der Fig. 7A bis 7D verwendete GTO-Element die Vierschichtstruktur von PNPN. Alternativ kann ein Hochkonzentrationspuffer zwischen der Anoden/Emitterschicht 13 und der N-Basisschicht 11 gebildet werden, um das Zusammendrücken der Löcherströmung aus der Anoden/Emitterschicht 13 zu beschleunigen.
Fig. 8 zeigt eine Folge von Signalformen zum Erläutern des Betriebs des GTO-Elementes 1, wenn dieses ausgeschaltet ist. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, liegt nach dem Anlegen des positiven Ausschaltimpulses an die erste Gatterelektrode 16 zur Zeit t3 der negative Ausschaltimpuls an der zweiten Gatterelektrode zur Zeit t4. Dann nähert sich der Anodenstrom IA rasch dem Wert Null. Wenn sich der Anodenstrom IA Null annähert, beträgt die Anodenspannung VA angenähert 2000 V.
Fig. 9 zeigt eine Folge von Signalformen zum Erläutern des Betriebs des GTO-Elementes, wenn die Anlegung des positiven Ausschaltimpulses 52 an die erste Gatterelektrode 16 hinter die Anlegung des negative Ausschaltimpulses 54 an die zweite Elektrode 18 verzögert ist, für einen Vergleich mit dem Betrieb gemäß Fig. 8. Der Anodenstrom IA, der durch das GTO-Element 1 fließt, fällt entlang einer sanften Neigung ab, wenn er ausgeschaltet wird, und dies verschlechtert die Schalteigenschaft des GTO-Elementes 1.
Wenn die Verzögerungszeit Δt der Erzeugung des Ausschaltimpulses des ersten Gatterimpulses S2 von derjenigen des Ausschaltimpulses des zweiten Gatterimpulses S4 variiert, so sind die Versuchsergebnisse des Ausschaltverlustes EOFF bei Ausschalten des GTO-Elementes 1 in Fig. 10 gezeigt.
Wie aus der fig. 10 zu ersehen ist, wird der Ausschaltverlust auf 50 % bei Δt = 12 us verringert, und diese Figur zeigt einen Mindestpunkt der Leistungsverlustverringerung.
Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Thyristor- Treibersystems zum Ansteuern eines Doppelgattertyp- Vollsteuergatt-Thyristors nach der vorliegenden Erfindung. Zur Vereinfachung der Darstellung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen. Das GTO-Element 1 umfaßt eine erste Gatterschaltung 32 zum Anlegen des Einschaltimpulses und des Ausschaltimpulses an die erste Gatterelektrode und die zweite Gatterschaltung 33 zum Anlegen des Einschaltimpulses und des Ausschaltimpulses an die zweite Gatterelektrode 18. Ein Spannungsdetektor 31 ist zwischen die Anodenelektrode 15 und die Kathodenelektrode 17 des GTO-Elementes eingefügt und erfaßt eine Vorwärtsspannung VA zwischen Elektroden 15 und 17. Eine Recheneinheitsschaltung 34 liest in den Ausgangssignalen von einem Bezugsspannungseinsteller 35, einem Bezugszeiteinsteller 36 und einem Spannungsdetektor 31 und steuert die Zeitsteuerung der Gatteransteuerung. Diese Schaltung 35 besteht aus einer CPU, einem Speicher, einem A/D-Umsetzer und einem Zeitgeber PIO usw.
Der Betrieb des Thyristor-Treibersystems der Fig. 11 wird im folgenden anhand der Fig. 12A bis 12H beschrieben. Es wird angenommen, daß das GTO-Element 1 zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, und daß ein Einstellwert durch den Bezugsspannungseinsteller 31 durch Eo und ein Einstellwert durch den Bezugsspannungseinsteller 36 durch Δt gegeben sind. Diese Einstellwerte Eo und Δt werden sequentiell in die Recheneinheitsschaltung 34 gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 13 geladen. Dabei bedeutet Δt die Zeitperiode, die abläuft, nachdem der Ausschaltimpuls an die erste Gatterelektrode 16 gelegt wurde, und bis der Ausschaltimpuls an die zweite Gatterelektrode 18 gelegt ist. Für diese Zeitsteuerungen dieser Einschalt- und Ausschalt-Zeitimpulse wird auf die Fig. 12A bis 12D verwiesen. Dabei bedeutet t2 eine Zeitdauer zwischen der Einschaltimpuls-Anlegung und der Ausschaltimpuls-Anlegung. Die Spannung VA (t2) zwischen der Anodenelektrode 15 und der Kathodenelektrode 17, die durch den Bezugsspannungsdetektor erfaßt wird, wenn der Einschaltimpuls an der zweiten Gatterelektrode 18 liegt, wird durch den A/D-Umsetzer in der Recheneinheitsschaltung 34 digitalisiert.
Die in die Recheneinheitsschaltung gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 13 geladene Einstellspannung Eo und die erfaßte Spannung VA (t2) werden vergleichsweise durch die CPU in der Recheneinheitsschaltung 34 berechnet. Wenn Eo > VA (t2) vorliegt, so wird die Zeit Δt gemäß der Spannung VA (t2) variiert. Die Zeitsteuerung des an die erste Gatterelektrode 16 gelegten Ausschaltimpulses rückt um Δt von dem an die zweite Gatterelektrode 18 gelegten Ausschaltimpuls mittels des Zeitgebers in der Recheneinheitsschaltung 34 vor. Die Signalformen in den Fig. 12E und 12F sind diejenigen des in die zweite Gatterelektrode 18 fließenden Impulsstromes. Fig. 12G zeigt die Signalformen der Anodenspannung VA und des Anodenstromes IA und Fig. 12H zeigt eine Signalform, die den Leistungsverlust wiedergibt.
In den Figuren sind Strichlinien-Signalformen diejenigen, wenn die Zeitsteuerungen des Ausschaltimpulses für die ersten und zweiten Gatterelektroden 16 und 18 nicht verschoben sind.
Wenn die Einstellspannung Eo kleiner als die erfaßte Spannung VA (t2) ist, also Eo < VA (t2) vorliegt, so beginnt der Anfangswert des Nachstromes vor t2 abzunehmen. Unter diesem Zustand ist der GTO bei festen Zeitsteuerungen ohne Steigerung der Zeit Δt getriggert, um die Zeitsteuerung des an der ersten Gatterelektrode 16 liegenden Einschaltimpulses vorzurücken.
Wenn der Gatter-Einschalt-Thyristor mit dem Doppel-Ausschalt-Thyristor als die Kombination von zwei Transistoren mit pnp und npn angesehen wird, hat der Transistor, dessen N-Basisschicht 11 eine hohen Widerstandes für die Basis verwendet wird, mehr Restladungen als der andere Transistor und weist eine kleinere Stromverstärkung als der letztere auf.
Der Nachstrom und die Nachperiode können wirksam vermindert werden, wenn die folgenden zwei Bedingungen erfüllt sind:
1) den Einschaltimpuls zur N-Basisschicht 11 (erste Gatterelektrode 16) des Transistors mit der kleinen Stromverstärkung von dem Ausschaltimpuls zur P-Basisschicht 12 (zweite Gatterelektrode 18) vorzurücken, wenn der Gatter-Einschalt-Thyristor der Doppelgatterstruktur ausgeschaltet wird,
2) den Ausschaltstrom zur N-Basisschicht 11 auf einen vorbestimmten Wert oder mehr (für die Verstärkung ein vorbestimmter Wert oder weniger) einzustellen.
Die Ursachen für die obigen Bedingungen werden im folgenden beschrieben.
Fig. 14A zeigt eine Ladungsträgerverteilung in dem Doppelgattertyp-Ausschaltthyristor, wenn dieser in einem Ein-Zustand ist. Die N-Basisschicht 11 dient für die erste Basisschicht, und die P-Basisschicht 12 ist für die P-Basisschicht vorgesehen. Diese Basisschichten haben erste und zweite Gatterelektroden 16 bzw. 18.
Wenn der Einschaltimpuls an der ersten Gatterelektrode 16 liegt, werden die Ladungsträger in der N-Basisschicht 11 teilweise entladen. Als Ergebnis wird die Ladungsträgerverteilung der Fig. 14A verändert, wie dies in Fig. 14B gezeigt ist. Die Ursachen für eine derartige Ladungsträgerverteilung werden im folgenden beschrieben.
In der N-Basisschicht 11 ist eine Elektronendichte n gleich zu einer Löcherdichte p, das heißt, n = p. Unter dieser Bedingung sind ein Löcherstrom Jp und ein Elektronenstrom Jn gegeben durch:
Jp = upkT(δp/δx) + qup pE
Jn = unkT(δn/δx) + qδn nE
Die Bedingung, ein Eindrücken in der Ladungsträgerverteilungskurve bei der Stelle der ersten Gatterelektrode 16 zu verursachen, ist gegeben durch:
Jp / up > Jn / un
Ein Umordnen dieser Beziehung ergibt:
Jp / Jn > un /up = 2,7
Damit liegt folgendes vor:
Jn / Jn + Jp ≥ 0,73
Diese Beziehung zeigt an, daß zum ausreichenden Entladen der Ladungsträger in die N-Basisschicht 11 ein Verhältnis des Elektronenstromes Jn, das heißt, des in die erste Gatterelektrode 16 fließenden Stromes, zu dem Gesamtstrom (Jp + Jn) 73 % oder mehr betragen muß. Mit anderen Worten, wenn der Ausschaltimpuls kontinuierlich an der ersten Gatterelektrode 16 anliegt, werden die Ladungsträger in der N-Basisschicht 11 entladen, um eine in Fig. 14B gezeigte Ladungsträgerverteilung zu erhalten.
Unter der Annahme, daß der Gatterstrom der Gesamtstrom (Jp + Jn) ist, wird die Zeit t, bis eine derartige Ladungsträgerverteilung erhalten ist, ausgedrückt durch:
t = 500 x 5 x 10¹&sup6; x 1,6 x 10&supmin;¹&sup9;/200 = 2,0 (us)
Dabei betragen die Dicke der N-Basisschicht 11 550 um, die Ladungsträgerdichte 5 x 10¹&sup6;/cm³ und der Gatterstrom 200 A/cm². Die tatsächliche Zeit ist viel länger als diese Zahl 2,0 us. Daher gilt für die Ladungsträger-Entladungslöcherdichte p die Beziehung n = p. Unter dieser Bedingung sind der Löcherstrom Jp und der Elektronenstrom Jn gegeben durch:
Jp = upkT(δ/δx) + qup pE
Jn = unkT(δn/δx) + qδn nE
Die Bedingung, ein Eindrücken in der Ladungsträgerverteilungskurve bei der Stelle der ersten Gatterelektrode 16 zu verursachen, ist gegeben durch:
Jp / up > Jn / un
Ein Umordnen dieser Beziehung ergibt:
Jp / Jn > un /up = 2,7
Damit wird folgendes erhalten:
Jn / Jn + Jp ≥ 0,73
Diese Beziehung zeigt an, daß zu einem ausreichenden Entladen der Ladungsträger in die N-Basisschicht 11 ein Verhältnis des Elektronenstromes Jn, d.h. des in die erste Gatterelektrode 16 fließenden Stromes, zu dem Gesamtstrom (Jp + Jn) 73 % oder mehr betragen muß. Mit anderen Worten, wenn der Ausschaltimpuls kontinuierlich an der ersten Gatterelektrode 16 liegt, werden die Ladungsträger in der N-Basisschicht 11 entladen, um eine in Fig. 14B gezeigte Ladungsträgerverteilung zu erhalten.
Unter der Annahme, daß der Gatterstrom der Gesamtstrom (Jp + Jn) ist, wird die Zeit t, bis eine derartige Ladungsträgerverteilung erhalten ist, ausgedrückt durch:
t = 500 x 5 x 10¹&sup6; x 1,6 x 10&supmin;¹&sup9;/200 = 2,0 (us)
Dabei betragen die Breite der N-Basisschicht 11 550 um, die Ladungsträgerdichte 5 x 10¹&sup6;/cm³, und der Gatterstrom nimmt um ungefähr 10 bis 100 V nach dem Anlegen dieses Impulses an die erste Gatterelektrode 16 zu.
In den Fig. 15A und 15B sind ein Schnitt und eine Draufsicht des GTO-Elementes 1 gezeigt, wenn eine Schicht hoher Konzentration in der N-Basisschicht des GTO-Elementes 1 gebildet ist. Die Draufsicht erfolgt aus der Seite der Anoden/Emitterschicht. In dieser Figur sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 versehen. In diesen Figuren sind durch Bezugszeichen 40 und 50 bezeichnete N- Typ-Schichten hoher Konzentration untereinander verbunden, wie dies in der Fig. 15B dargestellt ist. Die mittlere Konzentration dieser Schichten 40 und 50 beträgt 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder mehr.
In der Fig. 16 ist eine Anordnung eines Thyristor-Treibersystems zum Ansteuern des Vollsteuergatt- oder Gatter-Ausschalt-Thyristors der Doppelgatterstruktur gezeigt, der nicht ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist, sondern zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung beigefügt ist. Die Darstellung der Fig. 16 ist diejenige, wenn das GTO-Element in einem Aus- Zustand ist. Die Polaritäten der Vorspannung für die ersten und zweiten Gatter sind, wie gezeigt, positiv bzw. negativ. Unter dieser Bedingungen werden Elektronen durch die erste Gatterelektrode 16 abgezogen, und die Zusammendrückerscheinung erfolgt in der N-Basisschicht 11. Löcher werden durch die zweite Gatterelektrode 14 abgezogen, und das Zusammendrücken tritt ebenfalls auf, um die Injektion von Elektronen aus der Kathoden/Emitterschicht 14 einzuschränken.
In dem in den Fig. 15A und 15B gezeigten GTO-Element 1 ist die Rückwärts-Durchbruchspannung zwischen der Anoden/Emitterschicht 13 und der ersten Gatterelektrode 16 hoch. Daher kann eine hohe Spannung an die erste Gatterelektrode 16 gelegt werden. Der Teil hoher Konzentration des Gatters ist in Kammweise direkt unter der Anode verteilt. Mit diesen Merkmalen schreitet die Folge der Operationen durch die erste Gatterelektrode 16, das Zusammendrücken in der N-Basisschicht 11, das Elektronen-Abziehen und die Beschränkung der Löcherinjektion aus der Anoden/Emitterschicht 13 rascher fort als diejenige durch das zweite Elektrodengatter 18, d.h. das Zusammendrücken in der P-Basisschicht 12, das Abziehen von Löchern und das Einschränken der Elektroneninjektion aus der Kathoden/Emitterschicht 14. Als ein Ergebnis wird die Abfallzeit des Anodenstromes verringert, und die Löcherinjektion aus der Anoden/Emitterschicht 13 wird während der Abfallzeit eingeschränkt, und der Betrieb tritt in die Nachperiode ein. Daher ist der Anfangswert des Nachstromes merklich vermindert, wenn ein Vergleich mit dem bestehenden GTO- Element erfolgt.
Die Folge der Operationen des GTO-Elementes 1 wird anhand der Fig. 17A bis 17D erläutert, die Betriebssignalformen des GTO-Elementes zeigen.
Der Anodenstrom IA dieses GTO ist durch eine Vollinie gezeigt, während derjenige des bestehenden GTO durch eine Strichlinie angegeben ist. Diese Linien sind stark in den Amplituden, den Nachströmen und den Anfangswerten der Nachströme verschieden. Aus diesen Signalformen kann leicht verstanden werden, daß der Leistungsverlust dieses GTO-Treibersystemes beträchtlich vermindert ist.
Fig. 18 zeigt ein anderes Treibersystem zum Erleichtern des Verständnisses der Erfindung. In dem GTO-Element von Fig. 18 ist die als Anodengatter dienende Hochkonzentrationsschicht 40 gleichmäßig in Kontakt mit der N- Basisschicht 11, um die bekannte Pufferstruktur zu bilden. Eine kammförmige Hochkonzentrationsschicht 50 ist teilweise in die P&supmin;-Niederkonzentrationsschicht oder die N&supmin;-Niederkonzentrationsschicht, die zwischen der Hochkonzentrationsschicht 40 und der Anoden/Emitterschicht 13 gelegen ist, gelagert und berührt teilweise die Hochkonzentrationsschicht 40 des in den Fig. 15A und 15B gezeigten GTO-Elementes 1. Eine derartige Struktur verbessert die Durchbruchspannung des in den Fig. 14A und 14B gezeigten GTO-Elementes.
Fig. 19 zeigt eine weitere Abwandlung des GTO-Elementes 1. Diese Abwandlung zeichnet sich durch eine Niederkonzentrationsschicht 70 aus, die zwischen der Hochkonzentrationsschicht 40 und der Anoden/Emitterschicht 13 gelegen ist. Wenn in diesem GTO der positive Ausschaltimpuls an die erste Gatterelektrode 16 und der negative Ausschaltimpuls an die zweite Gatterelektrode 19 gelegt werden, werden das Leitungsbereich-Zusammendrücken, das Elektronen-Abziehen und das Einschränken der Löcherinjektion aus der Anoden/Emitterschicht auf der Anodenseite durchgeführt. Auch werden auf der Kathodenseite das Leitungsbereich-Zusammenziehen, das Löcher-Abziehen und die Einschränkung der Elektroneninjektion aus der Kathoden-Emitterschicht durchgeführt. Wenn bei einer derartigen Struktur des GTO-Elementes das GTO-Element im Abschaltmodus ist, schreitet die Folge des Zusammendrückens in der N-Basisschicht 11, des Elektronen-Abziehens und der Einschränkung der Löcherinjektion aus der Anoden/Emitterschicht 13 rascher fort als die Folge des Zusammendrückens in der P-Basisschicht 12, des Löcher-Abziehens und der Einschränkung der Elektroneninjektion aus der Kathoden/Emitterschicht 14. Als ein Ergebnis kann der Abschaltverlust vermindert werden, wenn das GTO-Element abgeschaltet wird.

Claims

1. Thyristor-Treibersystem in Kombination mit einem Vollsteuergatt-Thyristor der Doppelgatterstruktur, mit einer Vierschicht-Struktur aus einer Anoden/Emitterschicht (13) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer ersten Basisschicht (11) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Basisschicht (12) des ersten Leitfähigkeitstyps und einer Kathoden/Emitterschicht (14) des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Basisschicht mit einer ersten Gatterelektrode (16) und die zweite Basisschicht mit einer zweiten Gatterelektrode (18) verbunden sind und das Treibersystem eine erste Einrichtung (32) zum Anlegen eines ersten Ausschaltimpulses einer, vorbestimmten Amplitude an die erste Gatterelektrode (16) und eine zweite Einrichtung, (33) zum Anlegen einen zweiten Ausschaltimpuls an die zweite Gatterelektrode (18) aufweist, und wobei die Stromamplitude des zweiten Ausschaltimpulses kleiner ist im Absolutwert als diejenige des an der ersten Gatterelektrode liegenden ersten Ausschaltimpulses, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausschaltimpuls an die zweite Gatterelektrode (18) nach dessen Verzögerung um eine vorbestimmte Zeit hinter dem ersten Ausschaltimpuls und wenn eine Vorwärtsspannung des Thyristors einen vorbestimmten Wert überschreitet, gelegt ist.

2. Treibersystem nach Anspruch 1, umfassend einen Hochkonzentrationsbereich (40, 50) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in der Nähe der Anoden/Emitterschicht (13) der ersten Basisschicht (11) und nicht in Berührung mit der Anoden/Emitterschicht (13) gelegen ist.

3. Treibersystem nach Anspruch 1, bei dem der Gatter-Einschaltthyristor (1) einen Hochkonzentrationsbereich (40, 50) des zweiten Leitfähigkeitstyps hat, der in der Nähe der Anoden/Emitterschicht (13) der ersten Basisschicht (11) und nicht in Berührung mit der Anoden/Emitterschicht (13) gelegen ist.

4. Verfahren zum Steuern eines Ausschaltbetriebes eines Doppelgatter-GTO-Thyristors, umfassend:

eine Anoden/Emitterschicht (13) eines ersten Leitfähigkeitstyps,

eine erste Basisschicht (11) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die in Berührung mit der Anoden/Emitterschicht (13) ist, um einen ersten pn-Übergang zu bilden,

eine zweite Basisschicht (12) des ersten Leitfähigkeitstyps, die in Berührung mit der ersten Basisschicht (11) ist, um einen zweiten pn-Übergang zu bilden, eine Kathoden/Emitterschicht (14) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die in Berührung mit der zweiten Basisschicht (12) ist, um eine dritten pn-Übergang zu bilden,

eine mit der Anoden/Emitterschicht (13) verbundene Anodenelektrode (15),

eine mit der Kathoden/Emitterschicht (14) verbundene Kathodenelektrode (17),

eine mit der ersten Basisschicht (11) verbundene erste Gatterelektrode (16),

eine mit der zweiten Basisschicht (12) verbundene zweite Gatterelektrode (18),

eine zwischen der ersten Gatterelektrode (16) und der ersten Anodenelektrode (17) angeschlossene erste Einrichtung (32), um an die erste Gatterelektrode (16) einen ersten Ausschaltimpuls, rückwärts vorgespannt bezüglich des ersten pn-Überganges, zu legen, was den Thyristor ausschalten läßt, und

eine zwischen der zweiten Gatterelektrode (18) und der Kathodenelektrode (17) angeschlossene zweite Einrichtung (33), um an die zweite Gatterelektrode (18) einen zweiten Ausschaltimpuls zu legen, der zu dem dritten pn-Übergang rückwärts vorgespannt ist,

wobei die Stromamplitude des zweiten Ausschaltimpulses kleiner im Absolutwert als diejenige des ersten Ausschaltimpulses ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausschaltimpuls an die zweite Gatterelektrode (18) nach der Verzögerung um eine vorbestimmte Zeit hinter dem ersten Ausschaltimpuls, und wenn eine Vorwärtsspannung des Thyristors einen vorbestimmten Wert überschreitet, gelegt ist.