DE4029783C2

DE4029783C2 -

Info

Publication number: DE4029783C2
Application number: DE19904029783
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 6000 Frankfurt De Neubrand; Marius Dipl.-Ing. 6078 Neu Isenburg De Fuellmann
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1989-09-22
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1993-07-15
Also published as: DE4029783A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist aus der DE-OS 36 19 740 bekannt. Dieses Verfahren geht von der Tatsache aus, daß sich ein abschaltbarer Thyristor über ein in die Steuerelektrode eingespeistes negatives Steuersignal nur dann ohne Probleme abschalten läßt, sofern der Durchlaß- bzw. Laststrom einen Maximalstrom, der den Nennstrom etwa um das 1,5- bis 2fache übersteigt, nicht überschreitet. Wenn dieser Maximalstrom überschritten wird, so wird durch oder während des Abschaltvorgangs der Thyristor zerstört. Eine Abschaltung ist dann üblicherweise nur noch durch Unterbrechung des Laststromkreises, beispielsweise mittels einer Schmelzsicherung oder durch Parallelschaltung eines Shunt-Thyristors, möglich.

Mittels des eingangs genannten Verfahrens soll nun ein abschaltbarer Thyristor gegen solche Überströme, bei denen er ohne Zerstörung nicht mehr abschaltbar ist, geschützt werden. Das bekannte Verfahren geht davon aus, daß ein fester Zusammenhang zwischen dem abgeschalteten Last- bzw. Anodenstrom und der sog. Speicherzeit besteht, die bestimmt ist durch das Zeitintervall zwischen dem Einsteuern eines negativen Steuerimpulses in die Steuerelektrode und dem daraufhin erfolgenden Abfall des Anodenstroms auf 90% seines Ausgangswertes. Die Speicherzeit liefert damit ein direktes Maß für den abgeschalteten Anodenstrom.

Da bei fallendem Anodenstrom die Potentialdifferenz zwischen der Steuerelektrode und der Kathode negativ wird, läßt sich die Speicherzeit durch Vergleich des Ansteuersignals für die Steuerelektrode mit einem von der Steuerelektroden-Kathoden-Spannung abhängigen Signal ermitteln. Zum Schutz des Thyristors muß diese Speicherzeit mit zwei vorgegebenen Grenzen verglichen werden. Die erste Grenze dient zum Erkennen eines abgeschalteten Anodenstroms, der größer war als der maximale, periodisch abschaltbare Anodenstrom. Bei Überschreiten dieser ersten Grenze kann der Abschaltprozeß fortgesetzt werden. Die zweite Grenze dient zum Erkennen eines abgeschalteten Anodenstroms, der über den maximal abschaltbaren Anodenstrom hinausgeht, so daß der Strom nicht mehr über die Steuerelektrode abschaltbar ist, ohne daß der Thyristor zerstört wird. Beim Überschreiten der zweiten Grenze erfolgt eine Wiedereinschaltung des Thyristors, und der Strom muß durch eine Schmelzsicherung abgeschaltet werden.

Das bekannte Verfahren ist in seiner Durchführung sehr aufwendig, da zwei Grenzwerte ermittelt und bewertet werden müssen. Ferner wird der Fall nicht ausgeschlossen, daß eine Abschaltung des abschaltbaren Thyristors nur über eine Schmelzsicherung möglich ist.

Aus der US-PS 34 01 320 ist ein abschaltbarer Thyristor bekannt, der teilweise aus vier Zonen abwechselnd entgegengesetzter Leitfähigkeit und teilweise aus sechs Zonen abwechselnd entgegengesetzter Leitfähigkeit besteht. An jedem dieser beiden Teilthyristoren ist eine Steuerelektrode vorgesehen, wobei beide Steuerelektroden an einem Gate-Anschluß verbunden sind. Der bekannte abschaltbare Thyristor ist derart ausgelegt, daß er über ein positives Steuersignal am Gate-Anschluß sowohl ein- als auch ausgeschaltet werden kann, wobei die erforderliche Spannung zum Ausschalten größer ist als die zum Einschalten nötige.

Im bekannten Fall wird der Thyristor ein- und ausgeschaltet ohne Berücksichtigung der Tatsache, daß es Lastströme geben kann, bei denen eine Abschaltung ohne Zerstörung des Thyristors nicht mehr möglich ist.

In dem IBM Techn. Discl. Bull., Vol. 12, No. 4, Sept. 1969, Seite 512 (MELNYK, G.: "High Speed DC Circuit Breaker") wird eine Schaltung zum schnellen Unterbrechen eines Gleichstromes beschrieben. Diese Schaltung besteht aus der Zusammenschaltung zweier Transistoren, eines Thyristors sowie mehrerer Widerstände. Im Normalbetrieb wird der Laststrom über einen Transistor geführt. Wenn dieser Laststrom einen bestimmten Stromwert überschreitet, zündet der Thyristor, die Transistoren werden abgeschaltet, und der Laststrom fließt über eine Bypass-Leitung, die den Thyristor und eine Schmelzsicherung enthält. Bei einem vorgegebenen Überstrom brennt die Schmelzsicherung durch und unterbricht den Stromfluß.

Der Aufsatz "A New Internal Overvoltage Protection Structure for the Bipolar Power Transistor" von CHING-YUAN WU in: IEEE Journal of Soild-State circuits, Vol. SC-18, No. 6, Dec. 1983, Seiten 773 bis 777 befaßt sich mit einem Überspannungsschutz für einen bipolaren Leistungstransistor. Der Überspannungsschutz für den Leistungstransistor wird durch Parallelschaltung eines Schalttransistors und einer Kette von Widerständen und Zenerdioden realisiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Schutz eines über eine Steuerelektrode abschaltbaren Thyristors gegen Überströme verfügbar zu machen, die mit einfachen Mitteln das Auftreten von Überströmen, die im Falle eines Abschaltvorganges zu einer Zerstörung des Thyristors führen würden, überhaupt nicht auftreten.

Dabei wird im Falle der zugehörigen Anordnung noch angestrebt, daß der Laststrom, der dem Durchlaßstrom des Thyristors entspricht, selbsttätig auf einen vorbestimmten Stromwert begrenzt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1.

Das Verfahren besteht im wesentlichen also aus zwei Schritten, nämlich einmal die Überwachung der Potentialdifferenz, die zwischen der Steuerelektrode und einem Bezugspotential auftritt, wobei diese Spannung mit zunehmendem Anodenstrom größer wird, und beim Überschreiten eines vorbestimmten Spannungswertes anschließend eine Begrenzung auf einen Laststrom, in dem die ermittelte Potentialdifferenz der Strecke zwischen Steuerelektrode und dem Bezugspotential aufgeprägt und damit der Laststrom auf einem Wert gehalten wird, bei dem der Thyristor noch problemlos abgeschaltet werden kann. Dieses Verfahren läßt sich grundsätzlich bei jedem abschaltbaren Thyristor anwenden, auch bei abschaltbaren Thyristoren, die zwei Steuerelektroden aufweisen. Das Verfahren läßt sich dann mittels einer der beiden Steuerelektroden durchführen.

Gemäß der Erfindung besteht eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens darin, daß zwischen dem Emitteranschluß eines Emitters des abschaltbaren Thyristors und der die angrenzende Basiszone kontaktierende Steuerelektrode ein ohmscher Widerstand und ein Halbleiterbauelement, das bei einer bestimmten Polarität oberhalb einer vorbestimmten Spannung einen niedrigen differentiellen Widerstand aufweist, in Reihe geschaltet sind, daß das Halbleiterbauelement so gepolt ist, daß die bei der vorgenannten Polarität auftretende Stromspannungskennlinie durchlaufen wird und daß die Verbindung zwischen dem ohmschen Widerstand und dem Halbleiterbauelement das Bezugspotential bildet.

Als Bauelement mit niedrigem differentiellem Innenwiderstand oberhalb einer bestimmten Spannung wird vorteilhafterweise eine Zenerdiode verwendet. Die Überwachung der zwischen der Steuerelektrode und dem Bezugspunkt auftretenden Potentialdifferenz erfolgt einfach und selbsttätig dadurch, daß für den Fall, daß die Spannung unterhalb der Durchbruchsspannung der Zenerdiode liegt, kein Eingriff in das Verhalten des abschaltbaren Thyristors erfolgt. Wenn die Durchbruchsspannung der Zenerdiode erreicht wird, sorgt diese selbsttätig dafür, daß die Potentialdifferenz entsprechend der Durchbruchsspannung zwischen dem Bezugspunkt und der Steuerelektrode eingeprägt und damit der Durchlaßstrom des Thyristors festgelegt ist. Die Bemessung der Anordnung, wie im einzelnen noch ausgeführt wird, muß so erfolgen, daß die Strombegrenzung auf einen Wert erfolgt, bei dem der Thyristor über ein negatives Steuersignal ohne Zerstörung noch abgeschaltet werden kann.

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens und der Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß gegenüber dem bekannten Verfahren der Fall ausgeschlossen ist, daß gegebenenfalls auch noch eine Abschaltung des Thyristors durch einen Eingriff im Lastkreis erfolgen muß. Vielmehr wird der Durchlaßstrom direkt und selbsttätig auf einen vorgebbaren Maximalstrom begrenzt und ist jederzeit über die Steuerelektrode abschaltbar. Auch kurzzeitige Kurzschlußströme, die bei herkömmlichen Thyristoren bereits zu einer Zerstörung führten, werden bei dem Verfahren und der Anordnung gemäß der Erfindung innerhalb weniger Mikrosekunden selbsttätig begrenzt, wodurch eine Beschädigung des Thyristors verhindert wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Stromgrenze, bei der der Thyristor mit dem herkömmlichen Verfahren ohne Zerstörung noch abschaltbar war, um etwa das Zwei- bis Dreifache erhöht wird. Eine Abschaltung ist also noch bei größeren Strömen als bisher möglich, wobei die Abschaltung nicht über eine austauschbare Schmelzsicherung erfolgen muß.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Wesen der Erfindung soll anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine weitere Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in schema tischer Darstellung;

Fig. 3 den berechneten Strom- und Spannungsverlauf bei der Anwendung des Verfahrens zur Überstrombegrenzung und

Fig. 4 den an einem abschaltbaren Thyristor gemessenen Strom- und Span nungsverlauf bei Anwendung des Verfahrens zur Überstrombegrenzung.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils in schematischer Darstellung ein abschaltbarer Thyristor 1 gezeigt, und zwar mit einem p-Emitter 2, einer n-Basiszone 3, einer p-Basiszone 4 und einem n⁺-Emitter 5. In Fig. 1 weist der n⁺-Emitter 5 einen Emitteranschluß 6 auf, während die p-Basiszone 4 mit einer Steuerelektrode 7 kontaktiert ist.

Zwischen der Steuerelektrode 7 und dem Emitteranschluß 6 sind ein Halbleiterelement (8) als Zenerdiode und ein ohmscher Widerstand 9 in Reihe geschaltet, wobei die Polarität der Zenerdiode so gewählt ist, daß sie in Sperrichtung belastet wird. Die Verbindung zwischen dem ohmschen Widerstand 9 und der Zenerdiode bildet den Bezugs- bzw. Nullpunkt 10 der Anordnung. Mit zunehmendem Durchlaßstrom steigt die Potentialdifferenz an der Zenerdiode. So lange die Potentialdifferenz unterhalb der Durchbruchsspannung liegt, erfolgt kein Eingriff in die Wirkungsweise des abschaltbaren Thyristors 1. Bei Erreichen eines vorbestimmten Durchlaßstroms jedoch wird die Durchbruchsspannung der Zenerdiode erreicht, wobei die Zenerspannung dann zwischen dem Bezugspunkt 10 und der Steuerelektrode 7 aufgeprägt wird, so daß der von dieser Steuerspannung bestimmte Durchlaßstrom festgelegt ist und nicht mehr überschritten werden kann.

In Fig. 2 ist eine Anordnung entsprechend der Fig. 1 gewählt, jedoch mit dem Unterschied, daß der p-Emitter 2 mit einem Emitteranschluß 11 versehen ist und die Steuerelektrode 7 die n-Basiszone 3 kontaktiert. Es ergibt sich prinzipiell die gleiche Wirkungsweise wie bei der Anordnung nach Fig. 1.

Anhand von Fig. 1 soll die zweckmäßige Dimensionierung des ohmschen Widerstandes 9 und der Zenerdiode erläutert werden. Aus der Maschenregel ergeben sich die folgenden Beziehungen:

U_Z = U_Re + U_np und U_Re = i_K × R_e,

wobei
U_Z die Spannung an der Zenerdiode mit der Durchbruchspannung U_ZZ ist,
U_Re der Spannungsabfall am Vorwiderstand,
U_np der Spannungsabfall am n⁺-p-Übergang und
i_K der Kathodenstrom ist.

Es wird nun ein maximaler Grenzstrom für den Durchlaßstrom i_DGr vorgegeben, der als maximaler Anodenstrom ohne Zerstörung des Thyristors noch abgeschaltet werden kann. Bei einem vorgewählten ohmschen Widerstand von der Größe R_e bestimmt sich die Durchbruchsspannung der Zenerdiode nach folgender Beziehung:

U_ZZ = A × i_DGr × R_e + U_np (i_DGr),

wobei
A der Stromverstärkungsfaktor des n⁺_pn-Teiltransistors des Thyristors ist, der einen Wert zwischen 0,5 und 1 annehmen kann.

Es sei nun mit I_max ein Strom definiert, bei dem der abschaltbare Thyristor normalerweise gerade noch über die Steuerelektrode abschaltbar ist, ohne zerstört zu werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird nun der Strom I selbsttätig auf einen Wert begrenzt, der unterhalb I_max liegt.

Die Wirkungsweise der Anordnung läßt sich anhand von Fig. 1 auch noch wie folgt erläutern. Der Spannungsabfall an dem n⁺p-Übergang der p-Basis 4 und dem n⁺-Emitter 5 und der Spannungsabfall an dem ohmschen Widerstand 9 kann maximal gleich der Durchbruchsspannung U_ZZ der Zenerdiode werden. Daraus ergibt sich ein Kathodengrenzstrom i_KGr, der festgelegt ist durch folgende Beziehung:

U_ZZ = i_KGr × R_e + U_np (i_KGr).

Durch diesen Kathodengrenzstrom wird auch der Anoden- bzw. Durchlaßstrom des Thyristors mittelbar wirksam begrenzt. Für Anodenströme, die größer als der Kathodengrenzstrom sind, wird der über den Kathodengrenzstrom hinausgehende Stromanteil über die Steuerelektrode von der Zenerdiode abgesaugt. Dieser Strom kommt daher nicht zum Tragen, da von dem n⁺-Emitter 5 keine zusätzlichen Elektronen zur Verfügung gestellt werden. Das führt für Anodenströme, die größer als der Kathodengrenzstrom sind, zum Aufbau einer Ladungsträgerverarmungszone an dem pn-Übergang zwischen der n-Basis 3 und der p-Basis 4, so daß Anodenströme oberhalb des Kathodengrenzstromes zu einer starken Spannungserhöhung an dem abschaltbaren Thyristor führen.

Zur weiteren Erläuterung ist in Fig. 3 der Strom- und Spannungsverlauf des Thyristors dargestellt, wie er sich rechnerisch ergibt, wenn man einen ohmschen Widerstand von 10 mOhm und eine Zenerdiode mit einer Durchbruchsspannung von 2 V zugrunde legt. Ohne eine Strombegrenzung gemäß der Erfindung würde sich ein Stromanstieg gemäß der Kurve 14 einstellen, während mit der Anordnung gemäß der Erfindung eine Strombegrenzung auf etwa 160 Ampere erzielt wird. In Fig. 4 ist der an einem herkömmlichen Thyristor gemessene Stromspannungsverlauf wiedergegeben. Die Kurve 16 entspricht einer Stromspannungskennlinie ohne Überstrombegrenzung, während die Kurve 15 die Verhältnisse zeigt, wie sie unter Verwendung einer Anordnung gemäß der Erfindung vorliegen.

Bekanntlich können bei einem abschaltbaren Thyristor lokale Strominhomogenitäten auftreten, die an diesen Stellen zu einer Stromkonzentration und Zerstörung führen. Derartige Strominhomogenitäten lassen sich weitgehend durch einen geeigneten geometrischen Aufbau des Thyristors vermindern bzw. vermeiden. Derartige Strukturen lassen zu, daß der Thyristor aus einer Vielzahl von Einheitszellen besteht, von denen jede eine Mikrostruktur eines abschaltbaren Thyristors darstellt. Es kommt dann darauf an, sämtliche Einheitszellen mit gleichen elektrischen Eigenschaften auszubilden. Hierzu wird beispielsweise auf "ETG-Fachbericht" 23, 1988, Seiten 86 bis 111, verwiesen. Die durch Imhomogenitäten hervorgerufenen negativen Wirkungen lassen sich dadurch vermeiden, daß man den ohmschen Widerstand und die Zenerdiode der Anordnung zum Teil oder vollständig einer oder mehreren Einheitszellen zuordnet. Wenn man z. B. den ohmschen Widerstand jeder Einheitszelle zuordnet, läßt sich die Konzentration auf einzelne Einheitszellen praktisch unterbinden. Es kann aber auch vorteilhaft sein, einen ohmschen Vorwiderstand für mehrere Einheitszellen vorzusehen, beispielsweise für einen gesamten Emitterstreifen einer Emitterstruktur des abschaltbaren Thyristors. Solche Widerstände lassen sich in bekannter Weise durch Abscheidung von polykristallinem Silicium auf dem einkristallinen Siliziumplättchen mit der Thyristorstruktur herstellen (IEEE Transactions on Electron Devices Ed. 23, 1976, Seiten 826 bis 830).

Ferner ist es auch möglich, entweder jeder Einheitszelle eine Zenerdiode zuzuordnen oder eine Zenerdiode für eine Vielzahl von Einheitszellen vorzusehen. Schließlich ist auch die Kombination von Zenerdiode und ohmschem Widerstand für eine oder mehrere Einheitszellen gegebenenfalls von Vorteil. Im Falle einer Zenerdiode würde diese in bekannter Weise in die die Thyristorstruktur enthaltende Halbleiterscheibe integriert.

Claims

1. Verfahren zum Schutz eines über eine Steuerelektrode abschaltbaren Thyristors gegen Überströme, die beim Abschalten des Thyristors zu seiner Zerstörung führen, dadurch gekennzeichnet, daß im eingeschalteten Zustand des abschaltbaren Thyristors (1) der zwischen der Steuerelektrode (7) und einem Bezugspotential (10) in Abhängigkeit von dem Laststrom auftretende Spannungswert überwacht und beim Erreichen eines vorbestimmten Wertes, der einem Laststrom entspricht, bei dem der Thyristor (1) noch zerstörungsfrei abgeschaltet werden kann, dieser Spannungswert der Steuerelektrode (7) als Abschalt-Steuerspannung aufgeprägt wird, so daß der Laststrom auf einen dieser Steuerspannung entsprechenden Wert begrenzt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitteranschluß (6, 11) eines Emitters (5, 2) des abschaltbaren Thyristors (1) und der die angrenzende Basiszone (4, 3) kontaktierende Steuerelektrode (7) ein ohmscher Widerstand (9) und ein Halbleiterbauelement (8), das bei einer bestimmten Polarität oberhalb einer vorbestimmten Spannung einen niedrigen differentiellen Widerstand aufweist, in Reihe geschaltet sind, daß das Halbleiterbauelement (8) so gepolt ist, daß die bei der vorgenannten Polarität auftretende Stromspannungskennlinie durchlaufen wird und daß die Verbindung zwischen dem ohmschen Widerstand (9) und dem Halbleiterbauelement (8) das Bezugspotential (10) bildet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (2) p-leitend und die angrenzende Basiszone (3) n-leitend ist und daß der Emitter (5) n-leitend und die angrenzende Basiszone (4) p-leitend ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (8) eine Zenerdiode ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (8) eine Diode ist, deren Polarität so gewählt ist, daß sie in Durchlaßrichtung betrieben wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dioden in Durchlaßrichtung hintereinander geschaltet sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der abschaltbare Thyristor (1) so aufgebaut ist, daß er aus einer Vielzahl von Einheitszellen besteht, die jeweils eine Mikrostruktur eines abschaltbaren Thyristors bilden, und daß jeder Einheitszelle ein ohmscher Widerstand (9) zugeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der abschaltbare Thyristor (1) so aufgebaut ist, daß er aus einer Vielzahl von Einheitszellen besteht, die jeweils eine Mikrostruktur eines abschaltbaren Thyristors bilden, und daß mehreren Einheitszellen jeweils ein gemeinsamer ohmscher Widerstand (9) zugeordnet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der abschaltbare Thyristor (1) so aufgebaut ist, daß er aus einer Vielzahl von Einheitszellen besteht, die jeweils eine Mikrostruktur eines abschaltbaren Thyristors bilden, und daß jeder Einheitszelle ein Halbleiterbauelement (8) zugeordnet ist, das bei einer bestimmten Polarität oberhalb einer vorbestimmten Spannung einen niedrigen differentiellen Widerstand aufweist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der abschaltbare Thyristor (1) so aufgebaut ist, daß er aus einer Vielzahl von Einheitszellen besteht, die jeweils eine Mikrostruktur eines abschaltbaren Thyristors bilden, und daß mehreren Einheitszellen jeweils ein Halbleiterbauelement (8) zugeordnet ist, das bei einer bestimmten Polarität oberhalb einer vorbestimmten Spannung einen niedrigen differentiellen Widerstand aufweist.