DE3810536A1

DE3810536A1 - Halbleiterschaltkreis

Info

Publication number: DE3810536A1
Application number: DE3810536A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Sugayama; Tadaaki Kariya; Tatsuo Shimura; Sigeo Tomita
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Haramachi Electronics Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Priority date: 1987-03-28
Filing date: 1988-03-28
Publication date: 1988-10-13
Also published as: US4833587A; KR950008424B1; KR880012007A; JPS63242022A

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschaltkreis, mit dem sich der Leistungsverbrauch einer Thyristor-Ansteuerschal tung verringern läßt.

Aus der Japanischen Patentoffenlegungsschrift JP-A-59-14 355 ist eine Thyristor-Ansteuerschaltung bekannt, bei der ein Transistor, der mit seinem Kollektor- und Emitteranschluß parallel zum Gate- und Kathodenanschluß eines Thyristors geschaltet ist, so gesteuert wird, daß er zum Ausschalten des Thyristors dessen Gate-Kathodenstrecke kurzschließt.

Bei diesem Stand der Technik wird jedoch die Stärke des zum Ausschalten des Thyristors nötigen Steuerstroms nicht in Betracht gezogen. Sowie sich der Ausschaltstrom des Thy ristors erhöht, erhöht sich nämlich auch der Basisstrom des zum Kurzschließen der Gate-Kathodenstrecke des Thyristors dienenden Transistors, d.h. der Ausschaltstrom des Thy ristors. Deshalb wird hier eine hohe Steuerleistung benö tigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine zum Ein- und Ausschalten eines Thyristors geeignete Ansteuerschaltung so zu ermög lichen, daß der Leistungsverbrauch beim Ausschalten des Thyristors verringert wird.

Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Bruchteil des durch den P-Emitterbereich und den N-Basis bereich eines Thyristors fließenden Stroms über den Basis- Emitterübergang eines PNP-Transistors als Bypass geleitet wird. Außerdem ist ein NPN-Transistor mit seinem Kollektor- und seinem Emitteranschluß jeweils mit der P-Basis und dem N-Emitter des Thyristors verbunden. Der von der Emitter- Kollektorstrecke des PNP-Transistors im Bypass geleitete Strom wird beim Anlegen eines Ausschaltsignals gezwungen, durch die Basis-Emitterstrecke des NPN-Transistors zu fließen. Der NPN-Transistor wird dann zum Nebenschluß und läßt einen Bruchteil des durch den P-Basisbereich und den N- Emitterbereich des Thyristors fließenden Stroms durch seine Kollektor-Emitterstrecke fließen und schaltet dadurch den Thyristor aus.

Die Erfindung wird im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Halbleiterschaltkreises gemäß einem vorgeschlagenen Ausführungsbei spiel;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Schaltung realisieren den integrierten Schaltung;

Fig. 3(a) bis 3(c) die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung;

Fig. 4 ein Schaltbild eines weiteren vorgeschla genen Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 ein Schaltbild eines weiteren vorgeschla genen Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist ein Schaltbild eines vorgeschlagenen Ausfüh rungsbeispiels gezeigt, das einen Halbleiterschaltkreis aus einem Thyristor 1, einem PNP-Transistor 2, NPN-Transistoren 3 und 4, einem Ausschaltsteueranschluß 5, einem Einschalt steueranschluß 6, einem Anodenanschluß 7, einem Kathodenan schluß 8, einem Einschaltsteuersignalgenerator 9 und einem Ausschaltsteuersignalgenerator 10 aufweist.

Der Halbleiterschaltkreis der in Fig. 1 dargestellten Aus führungsart steuert das Ein- und Ausschalten des Thyristors 1, der einen Vierschichtaufbau hat, welcher aus einem P- Emitterbereich P _E, einem N-Basisbereich N _B, einem P-Basis bereich P _B und einem N-Emitterbereich N _E besteht, wobei der Anodenanschluß 7 und der Kathodenanschluß 8 jeweils mit dem P-Emitterbereich P _E und dem N-Emitterbereich N _E verbunden sind. Emitter- und Basisanschluß des PNP-Transistors 2 sind jeweils mit dem Anodenanschluß 7 und dem N-Basisbereich N _B des Thyristors 1 verbunden. Der NPN-Transistor 3, dessen Kollektor- und Emitteranschluß jeweils mit dem P-Basisbe reich P _B oder dem Gate und dem Kathodenanschluß 8 des Thyristors 1 verbunden sind, wird zum Kurzschließen der Gate-Kathodenstrecke und zum Ausschalten des Thyristors 1 verwendet. Der NPN-Transistor 4 ist mit seiner Basis mit dem Ausschaltsteueranschluß 5 verbunden und dient dazu, den Kollektorstrom des PNP-Transistors 2 zur Basis des NPN- Transistors 3 zu leiten.

Fig. 2 stellt eine Schnittansicht einer die in Fig. 1 dargestellte Schaltung realisierenden integrierten Schaltung dar, die auf einem dielektrisch isolierenden Halbleitersubstrat hergestellt ist. In einer polykristalli nen Siliciumschicht 100 sind vier Einkristall-Inseln ausge bildet, die von SiO₂-Filmen 101 umgeben sind. Innerhalb der vier Inseln 102, 103, 104 und 105 sind jeweils der Thyri stor 1, der PNP-Transistor 2 und die NPN-Transistoren 3 und 4 ausgebildet. Der PNP-Transistor 2 ist als Lateral-Transi stor ausgebildet. C, B, E stellen jeweils Kollektor-, Basis- und Emitterelektrode jedes Transistors dar, und A, K, G ₁, G ₂ zeigen jeweils Anode, Kathode, Gateanschluß 1 und Gateanschluß 2 des Thyristors. Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Schaltkreis kann für unterschiedliche Schalt funktionen in Nachrichtenstationen eingesetzt werden.

Zum Einschalten des Thyristors 1 in den Halbleiterschalt kreis gemäß dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbei spiel wird ein Steuersignal, wie es Fig. 3(a) zeigt, dem Einschaltsteueranschluß 6 angelegt, der mit dem P-Basisbe reich P _D oder dem Gate des Thyristors 1 verbunden ist, wodurch ein Gatestrom vom Einschaltsteueranschluß 6 zum Kathodenanschluß 8 fließen kann. Das Steuersignal kann ein kurzes Impulssignal sein, wie es die ausgezogene Linie in Fig. 3(a) zeigt oder kann auch andauern, während der Thyristor 1 eingeschaltet bleibt, wie dies in Fig. 3(a) durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Während des eingeschalteten Zustandes des Thyristors 1 wird dem Aus schaltsteueranschluß 5 kein Steuersignal angelegt, so daß der NPN-Transistor 4 und der NPN-Transistor 3 gesperrt bleiben.

Wenn der Thyristor 1 durch die Wirkung des am Steueran schluß 6 angelegten Einschaltsteuersignals einschaltet, fließt Strom vom Anodenanschluß 7 zum Kathodenanschluß 8. Dadurch entsteht ein Potentialunterschied zwischen dem P- Emitterbereich P _E und dem N-Basisbereich N _B des Thyristors 1, wodurch die Basis-Emitterstreckung des PNP-Transistors 2 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird und letzterer ein schaltet. Da jedoch der NPN-Transistor 4 wie oben erwähnt gesperrt bleibt, kann durch den PNP-Transistor 2 kein Kol lektorstrom fließen, und der eingeschaltete Zustand des Thyristors 1 bleibt erhalten. Die Spannung über dem Ano denanschluß 7 und dem Kathodenanschluß 8 des Thyristors 1 in diesem Zustand ist in Fig. 3(c) gezeigt und entspricht dem Einschaltspannungsabfall des Thyristors 1, der in die sem Zustand elektrische Leistung einer (nicht gezeigten) Last zuführt.

Zum Ausschalten des Thyristors 1 wird das an seinem Ein schaltsteueranschluß 6 anliegende Steuersignal weggenommen und dadurch der vom Einschaltsteueranschluß 6 zum Katho denanschluß 8 des Thyristors fließende Strom unterbrochen und ein Steuersignal dem Ausschaltsteueranschluß 5 zuge führt. Dadurch wird der NPN-Transistor 4 eingeschaltet. Als Ergebnis kann der Kollektorstrom durch den PNP-Transistor 2, der im leitenden Zustand bleibt, über die Kollektor- Emitterstrecke des NPN-Transistors 4 in die Basis des NPN- Transistors 3 fließen. Dadurch schaltet der NPN-Transistor 3 ein, sobald der Basisstrom durch dessen Basis-Emitter strecke fließt. Die Kollektor-Emitterspannung des NPN- Transistors 3 wird entsprechend geringer als die Spannung, die über dem P-Basisbereich P _B und dem N-Emitterbereich N _E des Thyristors 1, das ist die Spannung über dem Gate- und dem Kathodenanschluß des Thyristors 1, auftritt. Deshalb wird ein Bruchteil des Anodenstroms, der durch den P- Basisbereich P _B des Thyristors 1 fließt, als Kollektorstrom des NPN-Transistors 3 zum Kathodenanschluß 8 geleitet. Durch diesen Vorgang wird der Thyristor 1 ausgeschaltet.

Mittels der oben beschriebenen Ausschaltsteuerung wird bewirkt, daß ein Steuerstrom durch die Basis-Emitterstrecke des NPN-Transistors 3 über den PNP-Transistor 2 und den NPN-Transistor 4 fließt, indem ein Bruchteil des durch den Thyristor als Laststrom fließenden Anodenstroms durch diese Bypass-Schaltung abgeleitet wird.

Deshalb ist die zum Ausschalten des Thyristors 1 vom Steuersignal am Ausschaltsteueranschluß 5 aufzubringende elektrische Leistung sehr klein und muß nur ausreichen, um den Transistor 4 einzuschalten. Zum Ausschalten des Thyri stors 1 reicht es aus, einen Strom in der Größenordnung von 30% des durch den P-Basisbereich und den N-Emitterbereich des Thyristors 1 fließenden Stroms I in die Kollektor- Emitterstrecke des NPN-Transistors 3 einzuspeisen. Zu die sem Zweck muß der durch die Basis-Emitterstrecke des NPN- Transistors 3 fließende Strom nur in der Größenordnung von 1% der Stromstärke des Stroms I betragen. Erfindungsgemäß wird dieser geringe Strom vom Emitter-Kollektorstrom des PNP-Transistors 2 geliefert, so daß die dem Ausschalt steueranschluß 5 zum Ausschalten des Thyristors 1 zuzufüh rende Stromstärke 1/h _FE (Transistor 4) von 1% der Stärke des Stroms I beträgt. Der Wert von h _FE beträgt gewöhnlich etwa 30, woraus sich ergibt, daß die durch die Erfindung ermöglichte Steuerleistung nur etwa ein Dreißigstel der bei herkömmlichen Schaltungen nötigen Steuerleistung beträgt.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der vom NPN-Transistor 3 im Bypass geleitete Strom immer auf seinen optimalen Wert geregelt werden kann (aufgrund des sogenannten Millereffekts), weil eine zwi schen N-Basisbereich und P-Emitterbereich des Thyristors 1 liegende Spannung über dem Basis- und Emitteranschluß des PNP-Transistors 2 liegt. Genauer hängt die an dieser Basis- Emitterstrecke liegende Spannung im wesentlichen von einem durch den Thyristor fließenden Strom ab (ein Strom, der sich durch Subtraktion des vom Emitter des PNP-Transistors 2 durch Bypass abgeleiteten Stroms von dem in den Anschluß 7 des Thyristors 1 fließenden Stroms ergibt). Deshalb ist der durch die Emitter-Kollektorstrecke des PNP-Transistors 2 fließende Strom vom Thyristorstrom abhängig. Der Strom, der vom PNP-Transistor 2 mittels des Bypasses geleitet wird, dient als Basisstrom des NPN-Transistors 3. Schließ lich hängt der zum NPN-Transistor 3 zu leitende Strom von dem durch den Thyristor 1 fließenden Strom ab, so daß sich die Stärke des durch den Bypass fließenden Stroms immer so einregelt, daß der Thyristor 1 ausgeschaltet werden kann (in der Größenordnung von 30% des durch den Thyristor einfließenden Stroms).

Deshalb wird nach dem vollständigen Ausschalten des Thyri stors 1 durch die erfindungsgemäße Steuerschaltung der durch die Emitter-Kollektorstrecke des PNP-Transistors 2 und der durch die Basis-Emitterstrecke des NPN-Transistors 3 fließende Strom Null, auch wenn der NPN-Transistor 4 eingeschaltet bleibt (weil der Thyristorstrom Null ist). Deshalb kann das dem Ausschaltsteueranschluß 5 zugeführte Steuersignal ein kurzes Impulssignal sein, wie es in Fig. 3(b) durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist, oder auch während der gesamten Ausschaltdauer des Thyristors 1 kontinuierlich anliegen. Dies ist in Fig. 3(b) durch eine gestrichelte Linie dargestellt (wegen des sogenannten Mil lereffeks fließt trotz kontinuierlich andauernden Steuer signals kein unnötiger Steuerstrom). Unter der Annahme, daß das Ausschaltsteuersignal während der Ausschaltzeitdauer kontinuierlich anliegt, steigt die Kollektorspannung des PNP-Transistors 2, falls sich über dem Anoden- und dem Kathodenanschluß des Thyristors 1 eine Spannung entwickelt, und dadurch wächst h _FE des Transistors 2, so daß eine weitere Absenkung der Kollektor-Emitterspannung des NPN- Transistors 3 möglich wird.Dadurch wird es möglich, ein Wiedertriggern zu vermeiden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres vorgeschlagenes Ausführungsbei spiel, bei dem zwischen dem Anschluß 7 und dem Thyristor ein Widerstand R mit kleinem Widerstandswert (der jedoch groß genug ist, daß eine Spannung abfällt, die den Transi stor 2 in den leitenden Zustand versetzt) eingeschaltet ist. Die am Widerstand R abfallende Spannung liegt an der Basis-Emitterstrecke des PNP-Transistors 2. Im übrigen ist die Funktionsweise dieser Schaltung genauso wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die in Fig. 4 verwendeten Bezugsziffern entsprechen denen in Fig. 1.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt, bei dem zum Einschalten des Thyristors 1 ein Einschalt steuersignal dem N-Basisbereich angelegt wird, während der durch den P-Emitterbereich und den N-Basisbereich fließende Strom durch einen PNP-Transistor 3′ geschlossen wird. Im einzelnen wird die über dem P-Basisbereich und dem N- Emitterbereich liegende Spannung der Basis-Emitterstrecke eines NPN-Transistors 2′ angelegt, dessen Kollektor über die Kollektor-Emitterstrecke eines PNP-Transistors 4′ mit der Basis des PNP-Transistors 3′ verbunden ist (der Basis des Transistors 4′ wird zum Ausschalten des Thyristors 1 ein Ausschaltsteuersignal zugeführt). Im übrigen ist die Funktion dieser Schaltung genauso wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die den in Fig. 1 ent sprechenden Bezugsziffern sind mit einem Strich versehen (′).

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen können statt der NPN-Transistoren 4 oder 4′ auch andere Schaltele mente, wie MOSFETs verwendet werden, die durch ein Aus schaltsteuersignal, das dem Anschluß 5 oder 5′ zugeführt wird, einschaltbar sind und bewirken, daß der Kollektorstrom des PNP-Transistors 2 oder 2′ dem Basisanschluß des NPN- Transistors 3 oder 3′ zufließt.

Claims

1. Halbleiterschaltkreis mit

- einer Schalteinrichtung (1), die aus vier aufeinander folgend angeordneten Halbleiterbereichen unterschied lichen Leitungstyps besteht, einen ersten, zweiten und dritten Anschluß (7, 8, 6; 6′) aufweist und durch Ein- und Ausschaltsignale ein- und ausgeschaltet wird, wobei der erste Anschluß (7) mit einem der äußersten Halb leiterbereiche, der zweite Anschluß (8) mit dem ande ren äußersten Halbleiterbereich und der dritte An schluß (6, 6′) mit einem der zwischenliegenden Halb leiterbereiche verbunden sind;
- einer Einrichtung (10), die Einschaltsignale erzeugt, die dem dritten Anschluß (6) zugeführt werden;
- einer Einrichtung (9), die Ausschaltsignale zum Aus schalten der Schalteinrichtung (1) erzeugt; und
- einer Ansteuerschaltung;

dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung aufweist:

- einen ersten Transistor (3), der mit seinem Kollektor und Emitter jeweils mit einem der zwischenliegenden Halbleiterbereiche und mit dem zweiten Anschluß (8) verbunden ist;
- einen zweiten Transistor (2), der mit seiner Basis und seinem Emitter jeweils mit dem anderen der zwischen liegenden Halbleiterbereiche der Schalteinrichtung (1) und mit dem ersten Anschluß (7) verbunden ist, wobei ein Bruchteil des durch die Schalteinrichtung (1) fließenden Stroms abhängig von der Stärke dieses Stroms durch die Basis-Emitterstrecke des zweiten Transistors (2) neben geschlossen wird;
und
- ein Schaltglied (4), das auf das Ausschaltsteuersignal anspricht und daraufhin den Kollektor des zweiten Tran sistors (2) mit der Basis des ersten Transistors (3) verbindet, wodurch der Kollektorstrom des zweiten Tran sistors (2) in die Basis des ersten Transistors (3) fließt und dadurch einen Bruchteil des durch einen der zwischenliegenden Bereiche zum zweiten Anschluß (8) der Schalteinrichtung (1) fließenden Stroms durch die Kol lektor-Emitterstrecke des ersten Transistors (3) als Nebenschluß fließen läßt und die Schalteinrichtung (1) ausschaltet.

2. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schaltglied (4) ein dritter Transistor ist, dessen Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Transistors (2), dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors (3) verbunden ist und dessen Basis das Ausschaltsteuersignal zugeführt wird.

3. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (4) oder der dritte Transistor ein MOSFET ist.

4. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die vier Halbleiterbereiche aufeinanderfolgend in dieser Reihenfolge angeordnete P-, N-, P- und N-Halbleiterbereiche sind,
der eine äußerste Halbleiterbereich ein P-Halbleiter bereich und der andere äußerste Halbleiterbereich ein N- Halbleiterbereich sind,
und
der erste und der dritte Transistor (3, 4) NPN-Transi storen und der zweite Transistor (2) ein PNP-Transistor sind (Fig. 1).

5. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die vier Halbleiterbereiche aufeinanderfolgend in dieser Reihenfolge angeordnete P-, N-, P- und N-Halbleiterbereiche sind, der eine äußerste Halbleiterbereich ein N- Halbleiterbereich und der andere äußerste Halbleiterbereich ein P-Halbleiterbereich sind,
und
der erste und dritte Transistor PNP-Transistoren und der zweite Transistor ein NPN-Transistor ist.

6. Halbleiterschaltkreis, der gesteuert von Ein- und Aus schaltsignalen an- und abschaltbar ist mit

- einer Schalteinrichtung (1) aus vier aufeinanderfolgend angeordneten Halbleiterbereichen abwechselnden Leitungs typs, wobei
die Schalteinrichtung (1) einen ersten, zweiten und dritten Anschluß (7, 8, 6; 6′) aufweist und der erste Anschluß (7) mit einem der äußersten Halbleiterberei che, der zweite Anschluß (8) mit dem anderen äußersten Halbleiterbereich und der dritte Anschluß (6; 6′) mit einem der zwischenliegenden Halbleiter bereiche verbunden sind,
- einer Einrichtung (10), die Einschaltsteuersignale zum Einschalten der Schalteinrichtung (1) erzeugt, welche dem dritten Anschluß (6; 6′) angelegt werden, und
- einer Einrichtung (9), die Ausschaltsteuersignale zum Abschalten der Schalteinrichtung (1) erzeugt,

gekennzeichnet durch

- ein erstes Schaltglied (3, 3′), das einen Bruchteil des durch einen der zwischenliegenden und den dazu benach barten äußersten Halbleiterbereich fließenden Stroms nebenschließt,
- ein zweites Schaltglied (2, 2′), das einen Bruchteil des durch die Schalteinrichtung (1) fließenden Stroms neben schließt, wobei der Bruchteil von der Stärke dieses Stroms abhängt,
und
- ein drittes Schaltglied (4, 4′), das auf das Ausschalt steuersignal anspricht und darauf den durch den vom zweiten Schaltglied hergestellten Nebenschluß geleiteten Strom dem ersten Schaltglied zuführt, um die Stärke des durch den vom ersten Schaltglied hergestellten Neben schluß fließenden Stroms zu regeln.

7. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stärke des vom zweiten Schaltglied geleiteten Stroms durch eine Potentialdifferenz zwischen dem anderen zwischen liegenden Halbleiterbereich und dem dazu benachbarten äußer sten Halbleiterbereich geregelt wird.

8. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stärke des vom zweiten Schaltglied geleiteten Stroms durch eine an einem Widerstand (R), der mit dem ersten Anschluß verbunden ist, auftretenden Potentialdifferenz geregelt wird.

9. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausschaltsteuersignal, während die Schalteinrichtung (1) ausgeschaltet bleibt, kontinuierlich anliegt.