DE9411601U1 - Current limiting switch - Google Patents
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Description
GR 93 G 3476 DEGR 93 G 3476 EN
Beschreibung
Strombegrenzender SchalterDescription
Current limiting switch
Die Erfindung bezieht sich auf einen strombegrenzenden Schalter mit zumindest einem Halbleiterbereich mit Elektronenspender (Source), Elektronensammler (Drain) und den Elektronenfluß steuernder Elektrode (Gate), im einzelnen nach Gattungsbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a current-limiting switch with at least one semiconductor region with an electron donor (source), an electron collector (drain) and an electrode that controls the electron flow (gate), in detail according to the generic term of claim 1.
Elektrische Anlagen müssen an ein Netz geschaltet, beziehungsweise vom Netz getrennt werden. Bei mechanischen Schaltern liegen optimierte Lösungen vor, die den technischen Anforderungen, beispielsweise bei Antrieben, Motorschutzschaltern und Leitungsschutzschaltern hinsichtlich Überlast/und Kurzschlußschutz in der Praxis genügen. Bei Schutzschaltgeräten allgemein, zu denen Leistungsschalter, Motorschutzschalter oder Leitungsschutzschalter gehören, ist es erwünscht, auftretende Überlastströme, insbesondere Kurzschlußströme rasch zu erfassen und sie auf kleine Werte zu begrenzen und schließlich abzuschalten. Nachteile der mechanischen Schutzschaltgeräte sind der Verschleiß der Kontakte, häufige Wartung und eine verhältnismäßig langsame Schaltzeit im Kurzschlußfall, sowie eine verhältnismäßig geringe zeitliehe Genauigkeit des Schaltzeitpunktes.Electrical systems must be connected to a network or disconnected from the network. There are optimized solutions for mechanical switches that meet the technical requirements, for example for drives, motor protection switches and circuit breakers with regard to overload and short-circuit protection in practice. For protective switching devices in general, which include circuit breakers, motor protection switches or circuit breakers, it is desirable to quickly detect any overload currents that occur, especially short-circuit currents, and to limit them to small values and finally switch them off. Disadvantages of mechanical protective switching devices are wear on the contacts, frequent maintenance and a relatively slow switching time in the event of a short circuit, as well as a relatively low temporal accuracy of the switching time.
Halbleiterschalter können dagegen verschleißfrei arbeiten und schnell schalten ; sie haben geringe Schaltverluste und sie lassen sich variabel steuern. Nachteilig bei Halbleiterschaltern sind dagegen:Semiconductor switches, on the other hand, can operate without wear and switch quickly; they have low switching losses and they can be controlled variably. The disadvantages of semiconductor switches, on the other hand, are:
- hohe Kosten,- high costs,
- hoher Platzbedarf und- high space requirement and
- verhältnismäßig hohe Durchlaßverluste.- relatively high transmission losses.
Allgemein gesehen ist es häufig wünschenswert, Wechselströme oder Gleichströme schnell auf bestimmte Werte zu begrenzen und schließlich abzuschalten.In general, it is often desirable to quickly limit alternating currents or direct currents to certain values and finally switch them off.
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GR 93 G 3476 DEGR 93 G 3476 EN
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vorteilhaften strombegrenzenden Schalter auf der Basis der Halbleitertechnik
zu entwickeln, der in der Praxis ein günstiges Abschaltverhalten ermöglicht.
5The invention is based on the object of developing an advantageous current-limiting switch based on semiconductor technology, which enables a favorable switch-off behavior in practice.
5
Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt durch einen strombegrenzenden Schalter nach Anspruch 1. Bei flächig einander gegenüberliegenden Source-und Drain-Elektroden ist die Gate-Elektrode mittig zwischen diesen angeordnet und zumindest mit einem äußeren Anschluß versehen. Bei Fertigung aus Siliziumkarbid werden die Zielsetzungen in der Praxis günstig erfüllt, wobei der symmetrische Aufbau sowohl Wechselströme als auch Gleichströme unabhängig von der Polung zu begrenzen erlaubt und bei laufend weiter entsprechend geänderter Gate-Source-Spannung zu unterbrechen gestattet. Man erzielt beidseitig eine hohe Sperrfähigkeit bei entsprechend großflächigen Drain- und Source-Kontakten und einen niedrigen Durchlaßwiderstand bei andererseits hoher Sperrfähigkeit in Abhängigkeit von einer geeigneten Geometrie.The solution to the problem described is achieved by a current-limiting switch according to claim 1. With source and drain electrodes lying flat against each other, the gate electrode is arranged centrally between them and is provided with at least one external connection. When made from silicon carbide, the objectives are met in practice, whereby the symmetrical structure allows both alternating currents and direct currents to be limited regardless of polarity and interrupted when the gate-source voltage is continuously changed accordingly. A high blocking capacity is achieved on both sides with correspondingly large-area drain and source contacts and a low on-state resistance with a high blocking capacity on the other hand, depending on a suitable geometry.
Bei gegebener Dicke L der Gate-Elektroden und gegebenem Abstand der Source-Drain-Strecke D erhöht sich die Strombegrenzung infolge eines Feldeinschnürungseffektes mit kleiner werdendem Abstand zwischen den Gate-Elektroden.For a given thickness L of the gate electrodes and a given distance of the source-drain path D, the current limitation increases as a result of a field confinement effect with decreasing distance between the gate electrodes.
Es ist vorteilhaft, wenn die Gate-Elektrode, die aus zusammenhängenden Inselbereichen oder aus einem Bereich mit Lochausnehmungen bestehen kann, einen Ringanschluß aufweist.It is advantageous if the gate electrode, which can consist of connected island areas or of an area with hole recesses, has a ring connection.
Der Halbleiterbereich kann in einem Mikrochip integriert ausgebildet sein oder als diskretes Bauelement. Er kannThe semiconductor region can be integrated into a microchip or as a discrete component. It can
Strukturmerkmale der Erstellung durch "Wafer-bonding" aufweisen. Derartige Merkmale werden durch ein entsprechendes
an sich bekanntes Verfahren der "Wafer-bonding-Technik" erzielt .
35Have structural features of creation by "wafer bonding". Such features are achieved by a corresponding known process of "wafer bonding technology".
35
Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:The invention will now be explained in more detail using embodiments shown schematically in the drawing:
GR 93 G 3476 DEGR 93 G 3476 EN
In FIG 1 ist der strombegrenzende Schalter im Prinzip veranschaulicht .The current limiting switch is shown in principle in FIG 1.
In FIG 2 ist ein Arbeitsdiagramm des strombegrenzenden Schalters wiedergegeben.FIG 2 shows an operating diagram of the current-limiting switch.
In FIG 3 ist ein Ausführungsbeispiel für den Halbleiterbereich als Sektorausbruch aus einem ringförmigen Gebilde perspektifisch dargestellt.In FIG 3, an embodiment of the semiconductor region is shown in perspective as a sector breakout from a ring-shaped structure.
Der strombegrenzende Schalter nach FIG 1 weist einen Halbleiterbereich 1 auf, der Elektronenspender (Source; 2), Elektronensammler (Drain; 3) und Gate-Elektroden 4 aufweist. Ein zu schützender Lastkreis oder ein zu schaltender Verbraucher kann zwischen Source-Elektrode 2 und Drain-Elektrode 3 angeschlossen werden. Durch geeignete Gate-Source-Spannungen,Uqs^ läßt sich der Drain-Source-Strom, Ids, ^e~ grenzen und bei weiter steigender Sperrspannung an der Gate-Elektrode in Kennlinienfeld nach FIG 2 in Richtung der Abszisse herunterfahren. Die Gate-Elektroden 4 sind mittig zwischen flächig gegenüberliegenden Source-Drain-Elektroden 2 bzw. 3 angeordnet. Die Gate-Elektroden 4 sind elektrisch zusammenhängend und weisen einen äußeren Anschluß, Elektrodenanschluß 4 nach FIG 1, auf. Es ist günstig, wenn die Gate-Elektroden 4 einen Ringanschluß aufweisen, wie es aus den FIGUREN 1 und 3 zu ersehen ist. In Abhängigkeit von der Geometrie, der Dicke L der Gate-Elektroden 4, des Abstandes d zwischen den Gate-Elektroden und der Source-Drain-Strecke D erzielt man mit relativ kleiner werdendem Abstand d infolge der Feldeinschnürung zunehmende Strombegrenzung. Beispielhaft kann der Halbleiterbereich folgende Werte aufweisen: The current-limiting switch according to FIG. 1 has a semiconductor region 1 which has an electron donor (source; 2), an electron collector (drain; 3) and gate electrodes 4. A load circuit to be protected or a consumer to be switched can be connected between the source electrode 2 and the drain electrode 3. The drain-source current, Ids, ^ e ~ can be limited by suitable gate-source voltages, Uqs^ and, as the blocking voltage at the gate electrode continues to rise, can be reduced in the direction of the abscissa in the characteristic field according to FIG. 2. The gate electrodes 4 are arranged centrally between source-drain electrodes 2 and 3 which are flatly opposite one another. The gate electrodes 4 are electrically connected and have an external connection, electrode connection 4 according to FIG. 1. It is advantageous if the gate electrodes 4 have a ring connection, as can be seen from FIGS. 1 and 3. Depending on the geometry, the thickness L of the gate electrodes 4, the distance d between the gate electrodes and the source-drain section D, increasing current limitation is achieved as the distance d becomes smaller due to the field constriction. For example, the semiconductor region can have the following values:
L = 2 um, d = 2 um und D = 18 umL = 2 um, d = 2 um and D = 18 um
Man erhält dann einen Arbeitsbereich für 23 0 V Normalbetrieb und eine Strombegrenzung bei Überspannungen, etwa bis 700 V,This gives an operating range for 23 0 V normal operation and a current limitation for overvoltages, up to about 700 V,
GR 93 G 3476 DEGR 93 G 3476 EN
wenn der Halbleiterbereich auf der Basis von Siliziumkarbid hergestellt ist.if the semiconductor region is made on the basis of silicon carbide.
Im Diagramm nach FIG 2 ist auf der Abszisse die Drain-Source-Spannung U^g und auf der Ordinate der Drain-Source-Strom log abgetragen. Im Kennlinienfeld nach FIG 2 für Wechselspannung erhält man einen linearen Arbeitsbereich im ersten und dritten Quadranten und bei Gleichspannung einen linearen Arbeitsbereich in einem der Quadranten. Der lineare Arbeitsbereich entspricht dem sogenannten ON-Widerstand, Ron*· Der lineare Arbeitsbereich ist mit 9 bezeichnet. Für Gate-Source-Spannungen ergeben sich den Drain-Source-Strom begrenzende Kennlinien in etwa parallel zur Abszisse. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß der Halbleiterbereich ein &eegr;-Kanal aufweist und selbstsperrend ist. Durch eine geeignete Gate-Source-Spannung als Parameter im Kennlinienfeld kann ein gewünschter Drain-Source-Strom bei Überspannungen eingestellt, beziehungsweise begrenzt, werden. Man arbeitet dann in einem horizontalen Bereich im Kennlinienfeld bei konstantem I^g. Bei zu großen Oberspannungen würde in einem Endbereich schließlich ein Durchbruch zu wachsenden Drain-Source- Strömen bei konstanter Drain-Source-Spannung erreicht werden. Dimension!erung und Arbeitsbereich sind so zu wählen, daß dieser Endbereich nicht angelaufen werden kann. Im Ausführungsbeispiel nach FIG 3 ist perspektivisch ein herausgebrochener Sektor eines Halbleiterbereichs 1 wiedergegeben. Er ist mit Source-Elektrode 2 und Drain-Elektrode 3 abgeschlossen und weist eingebettete Gate-Elektroden 4 auf, die im Ausführungsbeispiel fingerartige Ausnehmungen aufweisen, so daß halbinselartige Bereiche für die Gate-Elektroden 4 entstehen. In einem äußeren Ring sind die Gate-Elektroden gemeinsam kontaktiert, da die einzelnen Gate-Elektroden im übrigen auch untereinander verbunden sind.In the diagram in FIG 2, the drain-source voltage U^g is plotted on the abscissa and the drain-source current log on the ordinate. In the characteristic field in FIG 2 for alternating voltage, a linear operating range is obtained in the first and third quadrants and for direct voltage a linear operating range in one of the quadrants. The linear operating range corresponds to the so-called ON resistance, Ron*· The linear operating range is designated 9. For gate-source voltages, characteristic curves limiting the drain-source current are obtained roughly parallel to the abscissa. For the sake of simplicity, it is assumed that the semiconductor region has an η channel and is self-blocking. A desired drain-source current can be set or limited in the event of overvoltages by using a suitable gate-source voltage as a parameter in the characteristic field. One then works in a horizontal area in the characteristic field at a constant I^g. If the upper voltage is too high, a breakdown would eventually occur in an end region, leading to increasing drain-source currents at a constant drain-source voltage. The dimensions and operating range must be selected so that this end region cannot be reached. In the embodiment shown in FIG. 3, a broken-out sector of a semiconductor region 1 is shown in perspective. It is closed off with a source electrode 2 and drain electrode 3 and has embedded gate electrodes 4, which in the embodiment have finger-like recesses, so that peninsula-like regions are created for the gate electrodes 4. The gate electrodes are jointly contacted in an outer ring, since the individual gate electrodes are also connected to one another.
Claims (3)
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich aus Siliziumkarbid (SiC) gebildet ist.1. Current-limiting switch with at least one semiconductor region 1 with electron donor (source; 2), electron collector (drain; 3) and electrode controlling the electron flow (gate; 4), wherein, in the case of source and drain electrodes (2; 3) lying flat against one another, the gate electrode (4) is arranged centrally between them and has at least one external connection,
characterized in that the semiconductor region is formed from silicon carbide (SiC).
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (1) Strukturmerkmale der Erstellung durch Wafer-bonding aufweist.3. Switch according to claim 1,
characterized in that the semiconductor region (1) has structural features of being produced by wafer bonding.
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- 1994-07-18 DE DE9411601U patent/DE9411601U1/en not_active Expired - Lifetime
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