JP2004200674A - Ｈｆ制御されるｓｃｒタイプのスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＣＲタイプのスイッチを制御する方法を提供する。
【解決手段】整流されていない高周波電圧の数周期をスイッチゲートに印加することから成り、１つのＨＦ半波の電力はＳＣＲタイプのスイッチを始動するには不充分である。ＨＦ信号は従来のゲート接触の代わりに、絶縁膜を介して容量結合された半導体コンポーネントの感応エリアに向かい、感応サイリスタとして動作する。この絶縁膜はシリコン半導体コンポーネントで使用されるシリコン酸化膜層のひとつであっても良い。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般にＳＣＲタイプのスイッチの制御に関する。「ＳＣＲタイプのスイッチ」という用語は、本明細書においては、サイリスタ、トライアック、および４個または５個の交互の半導体層を有するさまざまなタイプの制御された両方向スイッチ等のコンポーネントを指す。本発明は、スイッチが、（５０または６０Ｈｚの）交流電源ネットワークに接続される負荷をスイッチするための中電力スイッチである場合にとりわけ適用される。

一般的に、多元スイッチおよび／または交流ネットワークにより給電されるスイッチの制御においては、制御回路と制御されるべきスイッチの間の絶縁の問題が生じ、トランスまたはオプトカプラ等のガルバニック絶縁回路が一般的に提供されるが、それには高価で組み込みが難しいという欠点がある。

例えば本出願人のＰＣＴ特許出願ＷＯ／０２５０８５０において、高周波信号での電源スイッチの制御が提供されている。この特許出願においては、高周波が、小さなトランスの使用を可能にするという利点から使用され、より少ないコストでのガルバニック絶縁を可能にするが、しかしながらトランスを必要とする。変圧後、この高周波は整流ダイオードを経由してスイッチされるべきコンポーネントのゲートに印加され、つまりは、制御は直流パルスの形をした信号により行われる。

本発明は、新規なＳＣＲタイプのスイッチ制御方法を提供する。

より具体的には、本発明は、そのような方法および適用装置を提供し、とりわけ、制御回路と制御されるべきスイッチの間の絶縁の問題を著しく簡便な方法において、解決することを可能にする。

これらの目的を達成するため、本発明は、整流されていない高周波電圧の数周期をスイッチゲートに印加することから成る、ＳＣＲタイプのスイッチを制御する方法を提供し、１つのＨＦ半波の電力はＳＣＲタイプのスイッチを始動するには不充分である。

本発明の実施形態によれば、ＨＦ電圧は１０ｋＨｚ〜数ＧＨｚの選択された周波数で振動する。

本発明の実施形態によれば、高周波は、コンポーネントの感応エリアの上に形成される絶縁層を経由して印加される。

本発明の実施形態によれば、高周波はサイリスタのゲート領域上に印加される。

本発明の実施形態によれば、高周波はトライアックのゲート領域上に印加される。

本発明の実施形態によれば、高周波は高周波線を経由して印加される。

本発明の実施形態によれば、高周波は巻線を経由して印加される。

本発明はまた、ＳＣＲタイプのスイッチコンポーネントを提供し、それは２つの主電極と、絶縁層上に形成されコンポーネントの始動領域の上に配置される少なくとも１つの制御電極とを備えており、制御電極は整流されていないＨＦ電源に接続される。

本発明の実施形態によれば、制御電極はサイリスタのゲート領域上に配置される。

本発明の実施形態によれば、制御電極はトライアックのゲート領域上に配置される。

本発明の実施形態によれば、制御電極は高周波線である。

本発明の実施形態によれば、高周波は巻線を経由して印加される。

本発明の利点によれば、ＳＣＲタイプのコンポーネントの制御エリアにおけるＨＦ信号の印加は、感応半導体エリアと接触するメタライゼーションなしに行うことができ、それによりスイッチの設計および構造が簡素化され、さまざまなサイリスタおよび／またはトライアック、または他の両方向スイッチの同一の制御回路による制御に生じる全ての絶縁問題および関連する問題を解決する。

本発明の以上の目的、特徴、及び利点は、以下の、添付図面に関する特定の実施形態の非限定的な説明により、詳細に論じられる。

図４、図５、図６Ａ、および図７は、部分的な簡略化された断面図であり、以下の説明の理解のためだけに簡略化される。特に、簡略化のために、実際には異なる面にあるいくつかの要素が同一の断面に示されている。既存の技術を用いて、実用的な装置を作ることは当業者の能力の範囲内である。さらに半導体コンポーネントの表示の場合によくあるように、さまざまな層および領域の寸法は厳密でない。

本発明の基本的な考え方は、ＳＣＲタイプのスイッチを整流されていないＨＦ電圧で直接制御するというものである。この方法は、直流電圧または電圧パルスが、このコンポーネントのゲートエリアに接続されたゲート電極上に印加されるという、従来のＳＣＲタイプのスイッチの制御モードとは異なる。電圧パルスが印加された場合、このパルスは、接合をターン・オンするに充分な振幅を備えなければならず、且つ、この接合に充分な電流を流すように、充分な強さを備えなければならない。すなわち、パルスは所与の最低電力を備えなければならない。

従来、各半波の電力がサイリスタをターン・オンするには不充分なように、且つ各半波の期間がコンポーネントのプライミング時間よりも短くなるように、交流信号がサイリスタのゲートに印加された場合、正および負の半波の効果は無効になり、交流信号はスイッチを始動する効果を持たない。

しかしながら本出願人は、図１のタイプの概略図における実験を試み、そこではＨＦ信号が、サイリスタのゲートＧおよびカソードＫの間に印加される。適切にバイアスされた直流電圧ＶＡＫが負荷ＬおよびサイリスタＴＨの直列アセンブリの両端に印加される。サイリスタのカソードＫは、接地されているとする。

図２において、ゲートとカソードの間に印加された約１メガヘルツの周波数のＨＦ電圧は曲線１０により示され、測定されたアノード電流は曲線１１により示される。約３つの高周波交流電圧の半波の後、サイリスタの導通が確立される。そのとき、サイリスタに一般的なように、ＨＦ電源は中断可能であり、サイリスタは導通性を持ち続ける。

図３は、約２０ＭＨｚの周波数の交流電圧の２つの同様の曲線を示している。より具体的には、図３において、曲線２０はゲート／カソード電圧を示し、曲線２１はアノード電流を示す。高周波電圧が中断された場合に、スイッチがオンであり続けるために充分な値に落ち着くまで、アノード電流が徐々に増加するのがわかる。導通の確立時間は、約４０〜５０の高周波周期におよぶ。

このようにして、高周波制御電圧が、サイリスタのゲート、およびより一般的にはＳＣＲタイプのスイッチのゲートに印加された場合、そのスイッチはオンにスイッチされ、一方で交流電圧の各半波の電力および／または期間は、考慮されるＳＣＲタイプのコンポーネントのスイッチングを確保するには不充分である。

高周波制御の大きな利点は、高周波数に対し非常に小さなインピーダンスを示し、直流電圧またはネットワーク周波数（５０または６０ヘルツ）の交流電圧をブロックする結合キャパシタを経由してゲート端子に高周波電圧を印加できることであり、ゲート端子には、一般的に、片方向または両方向スイッチの制御端子が接続される。そのような結合キャパシタの挿入は、一般的に克服されるべき、電源スイッチの主回路に関する制御回路の絶縁という問題を簡単に解決するという結果をもたらす。

本発明はまた、本発明の実施を可能にするさまざまなＳＣＲスイッチ構造を提供する。

これらのさまざまな構造の共通点は、従来通り、電源スイッチングコンポーネントの主電極は通常適切な導通エリアに接続されるが、半導体ゲートエリアと接触するゲートのメタライゼーションは、もはや提供されないということである。このゲートの接触の代わりに、絶縁層を経由して電源コンポーネントの始動エリアに向かってＨＦ信号を流すためのさまざまな手段が提供される。すなわち、絶縁層を通って半導体コンポーネントの感応エリアに向かい、容量結合が行われる。絶縁層は、シリコン半導体コンポーネントにおいて現在使用されているシリコン酸化膜層の１つであってもよい。

図４は、本発明に基づくＨＦ制御されるサイリスタの例を示したものである。この垂直型のコンポーネントは、低濃度ドープされたＮ型層４３の中に形成されたＰ型のウェル４２の中に形成されたＮ型カソード領域４１を従来通り有し、Ｐ型アノード領域４４がコンポーネントの裏面に存在する。Ｎ型領域４１はカソードのメタライゼーションＭＫと接触し、カソードの端子Ｋに接続される。コンポーネントの裏面は、アノードのメタライゼーションＭＡでコートされ、アノードの端子Ａに接続される。従来は、ゲート端子は層４２の一部と接触するメタライゼーションにより形成されていた。本発明によれば、領域４２は、絶縁層４５により一様にコートされ、その上に、高周波始動信号の送出を行うメタライゼーションＭＧが形成されている。メタライゼーションＭＧは、主サイリスタ回路に関して完全に絶縁されている。ＨＦ周波数は、端子Ｇと、端子Ａおよび端子Ｋの一方との間に印加され、それらは設定された電圧にあり、高周波の点からみてグラウンドであるとみなされる。

図５は、本発明をトライアックの制御に応用したものである。このトライアックは、図４のサイリスタについて先に説明されたものと同一の層４１〜層４４を有する。裏面には、裏面のメタライゼーションと接触するＮ型領域５１の上に、Ｐ型の層４４がさらに形成され、従来通り、Ｎ型領域４３の表面側の上に、ゲート領域に対応するＰ型領域５２が形成される。好ましくは、より高濃度ドープされたＮ型領域５３が、領域５２の近くに供給される。メタライゼーションＭＧ１およびメタライゼーションＭＧ２はそれぞれ、Ｐ型領域５２およびＮ型領域５３の上に形成される。高周波信号は、例えば、メタライゼーションＭＧ１およびメタライゼーションＭＧ２に接続された端子Ｇ１と端子Ｇ２の間に印加され、サイリスタが前述のように始動されたのと同様の方法で、これがトライアックを始動させることが確認できる。端子Ｇ２は選択的なものであり、ＨＦ制御信号は端子Ｇ１のみに印加することも可能である。したがって、トライアックの始動もまた、確認される。

図６Ａは、図５に示された構造の代替的な実施形態を示したものである。高周波信号が間に印加される２つのメタライゼーションＭＧ１およびメタライゼーションＭＧ２の代わりに、高周波線６１が、高周波電圧ＨＦが印加される端子の間で領域５２および領域５３の上に供給される。この場合も、容量結合により、図６Ｂに示されているように、電流が下の層で流れ始め、これにより主コンポーネントをターン・オンすることが確認できる。

本発明の別の代替例によれば、図７に概略的に示されているように、高周波は、基板７３をコートする絶縁層７２上に形成された巻線７１を経由してスイッチの感応エリアに印加することができ、基板の中には、図４または図５に示されているような、電源コンポーネントが形成される。コイルによるＨＦ注入のさまざまな応用を用いることが可能である。例えば、拡散層から、または半導体基板の一部に形成された絶縁溝の中に形成された多結晶シリコン等の導電材料を充填したエリアから、二次巻線を半導体の中に形成することができ、ＨＦはそのとき、二次巻線の両端にあらわれる。巻線７１が、磁界を発生し、先に示されたように、感応接合をターン・オンする渦電流を導電材料の中に生成するようにすることも可能である。このような応用においては、周波数は、数メガヘルツから数ギガヘルツ程度の極めて高いものに成り得る。

本発明は、さまざまな変更態様および変形態様を持ち得るものであり、本発明の基礎は、高周波信号による半導体コンポーネントの制御であり、この半導体コンポーネントの感応エリアに高周波を流すことにより行われる。この感応エリアは、ＳＣＲタイプのコンポーネントの従来のゲートエリアと異なる。つまり、適切にバイアスされたＳＣＲタイプのコンポーネントのブロッキング接合の近くで電荷を発生する接合のターン・オンを引き起こすことで充分である。高周波の範囲は、この応用の内容に対応する。１０ｋＨｚ〜数ＧＨｚの範囲内の高周波が、例えば、応用に基づき想定される。先に示されたように、各高周波の半波は非常に高エネルギーである必要はない。なぜなら、図２および図３に関連して示されたように、制御される半導体コンポーネントの漸進的な始動を引き起こす蓄積現象が発生するからである。

さらに、本発明は特定のサイリスタおよびトライアックの簡略化された例に関連して説明されているが、本発明はあらゆるＳＣＲタイプのコンポーネントおよび特に両方向コンポーネントのあらゆるタイプに適用することができる。

このような変更態様、変形態様、および改良は、この開示の一部として示されたものであり、本発明の精神および範囲内である。したがって、以上の説明は例示に過ぎず、限定的に示すものではない。本発明は、特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定される。

サイリスタの制御の原理の概略図を示したものである。 １ＭＨｚの周波数で印加された交流電圧に対するサイリスタ内の電流の確立の形を示したものである。 ２０ＭＨｚ程度の周波数の交流信号により制御されるサイリスタ内の電流の確立の形を示したものである。 本発明の実施のさまざまな例を示したものである。 本発明の実施のさまざまな例を示したものである。 本発明の実施のさまざまな例を示したものである。 図６Ａの実施形態の同等の概略図である。 本発明の実施のさまざまな例を示したものである。

符号の説明

１０ ＨＦ電圧
１１、２１ アノード電流
２０ ゲート／カソード電圧
４１ Ｎ型カソード領域
４２ Ｐ型のウェル
４３ 低濃度ドープされたＮ型層
４４ Ｐ型アノード領域
４５、７２ 絶縁層
５１ Ｎ型領域
５２ Ｐ型領域
５３ より高濃度ドープされたＮ型領域
６１ 高周波線
７１ 巻線
７３ 基板

Claims (12)

1. 整流されていない高周波電圧の数周期をスイッチゲートに印加することから成り、１つのＨＦ半波の電力はＳＣＲタイプのスイッチを始動するには不充分であることを特徴とするＳＣＲタイプのスイッチを制御する方法。
2. 前記ＨＦ電圧は１０ｋＨｚ〜数ＧＨｚの選択された周波数で振動することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記高周波は、コンポーネントの感応エリアの上に形成される絶縁層を経由して印加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記高周波はサイリスタのゲート領域に印加されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記高周波はトライアックのゲート領域に印加されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記高周波は高周波線を経由して印加されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. 前記高周波は巻線を経由して印加されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. ２つの主電極と、絶縁層（４５）上に形成されコンポーネントの始動領域の上に配置される少なくとも１つの制御電極とを備え、該制御電極は整流されていないＨＦ電源に接続されることを特徴とするＳＣＲタイプのスイッチコンポーネント。
9. 前記制御電極はサイリスタのゲート領域（４２）上に配置されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記制御電極はトライアックのゲート領域（５２）上に配置されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記制御電極は高周波線（６１）であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記高周波は巻線（７１）を経由して印加されることを特徴とする請求項８に記載の方法。

Images