DE2801722A1

DE2801722A1 - Schaltungsanordnung zum herabsetzen der freiwerdezeit eines thyristors

Info

Publication number: DE2801722A1
Application number: DE19782801722
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Dr Voss
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1978-01-16
Filing date: 1978-01-16
Publication date: 1979-07-19
Also published as: US4352028A; GB2012500B; FR2414794B1; FR2414794A1; GB2012500A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P ί 0 0 5 BRD

Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Freiwerdezeit eines Thyristors

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Freiwerdezeit eines Thyristors mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine von einer Emitterelektrode kontaktierte Emitterzone und mindestens eine von einer Hilfsemitterelektrode kontaktierte Hilfsemitterzone und Basiszone aufweist, mit einem Nebenschluß zwischen der Emitterzone und der Basiszone, sowie mit einem zwischen Emitterelektrode und Hilfsemitterelektrode angeschlossenen Kondensator.

Unter der Freiwerdezeit eines Thyristors versteht man die zwischen Nulldurchgang des Laststroms und Wiedererlangung der Blockierfähigkeit des Thyristors liegende Zeit. Die Freiwerdezeit kann durch den Einbau von Rekombinationszentren erheblich herabgesetzt werden. Eine übermäßige Dotierung mit Rekombinationszentren führt jedoch zu einer starken Erhöhung der Durchlaßverluste. Bei

Hab 1 Dx / 12.01.1978

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der oben erwähnten bekannten Schaltung wird die Freiwerdezeit dadurch verkürzt, daß der Kondensator beim Abschalten des Thyristors durch den im Thyristor fließenden Rückstrom negativ bezüglich der Katode aufgeladen wird. Bei der Wiederkehr der in Blockierrichtung des Thyristors anstehenden Spannung fließt dadurch der durch die noch im Halbleiterkörper gespeicherten Ladungsträger hervorgerufene Strom über die Hilfsemitterelektrode ab. Dies führt zu einer Verkürzung der Freiwerdezeit. Der Wirksamkeit der bekannten Schaltungsanordnung ist dadurch Grenzen gesetzt, daß sich der Kondensator bereits vor der Wiederkehr der Blockierspannung über die Basis-Emitternebenschlüsse des Thyristors entlädt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß sich der Kondensator erst bei Wiederkehr der Blockierspannung entladen kann.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Die Emitterelektrode ist auf der Oberfläche des HaIbleiterkörpers elektrisch nur mit der Emitterzone verbunden; der Nebenschluß ist lediglich durch den Kondensator gebildet, dem eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Diode parallel geschaltet ist; die Diode hat eine kleinere Schwellspannung als die von der katodenseitigen Emitterzone und Basiszone des Thyristors gebildete Diode; die Diode ist gegenüber der Katode gleichsinnig wie die Diode des Thyristors gepolt.

Die Diode kann eine Schottky-Diode sein. Zweckmäßigerweise ist dem Kondensator mindestens eine Zenerdiode

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parallel geschaltet, die gegenüber der Katode gleichsinnig wie die Diode gepolt ist. Zweckmäßig ist folgende weitere Ausführungsform: Im Anoden-Katodenkreis des Thyristors liegt die Primärwicklung eines Stromwandlers mit SättigungsCharakteristik; die Sekundärwicklung des Stromwandlers ist über eine weitere Diode mit dem Kondensator verbunden; die weitere Diode ist so gepolt, daß der Kondensator durch einen den Thyristor durchfließenden Rückstrom gegenüber der Katode negativ aufgeladen wird. Es kann sich auch folgende Schaltung empfehlen: Dem Thyristor ist ein RC-Glied parallelgeschaltet; in Reihe mit dem RC-Glied liegt die Primärwicklung eines Stromwandlers mit Sättigungscharakteristik; die Sekundärwicklung des Stromwandlers ist über eine weitere Diode mit dem Kondensator verbunden; die weitere Diode ist so gepolt, daß der Kondensator durch einen den Thyristor durchfließenden Rückstrom negativ aufgeladen wird.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung,

Fig. 2 und 3 die Spannungs- und Stromverläufe an

charakteristischen Punkten der Schaltungsanordnung ,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist der Halbleiterkörper eines Thyristors 1 dargestellt. Er weist eine katodenseitige Emitterzone 2, eine Hilfsemitterzone 3 und eine katodenseitige Ba-

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siszone 4 auf. Die übrigen Zonen sind der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die Emitterzone ist mit einer Emitterelektrode 5 verbunden. Die Emitterelektrode 5 kontaktiert auf der Oberfläche des HaIbleiterkörpers lediglich die Emitterzone 2. Der zwischen der Emitterzone 2 und der Basiszone 4 liegende pn-übergang 8 ist daher auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers nicht kurzgeschlossen. Die Hilfsemitterzone 3 ist von einer Hilfsemitterelektrode 6, 15 kontaktiert, die elektrisch auch mit der Basiszone 4 verbunden ist. Die Basiszone 4 ist mit einer Steuerelektrode 7 versehen. Der Steuerstrom wird der Steuerelektrode 7 über einen Übertrager 9 zugeführt, dessen Sekundärwicklung mit der Hilfsemitterelektrode 6 und der Steuerelektrode 7 verbunden ist. Zwischen der Emitterelektrode 5 und der Hilfsemitterelektrode 6 liegt ein Kondensator 10, dem die Reihenschaltung aus einem Widerstand 11 und einer Schottky-Diode 12 parallelgeschaltet ist. Anstelle der Schottky-Diode kann auch eine andere Diode verwendet werden, sofern sie eine Schwellspannung hat, die kleiner als die Schwellspannung der aus den Zonen 2 und 4 des Thyristors gebildeten Diode ist. Statt einer Schottky-Diode kann beispielsweise eine Germaniumdiode verwendet werden, wenn der Thyristor aus Silicium besteht. Die Diode 12 ist gegenüber der Katode gleichsinnig wie die aus den Zonen 2, 4 gebildete Diode des Thyristors 1 gepolt. Dem Kondensator 10 können eine oder mehrere Zenerdioden 13i 14 parallelgeschaltet sein. Die Summe der Schwellspannungen der Zenerdioden muß größer als die Schwellspannung der aus den Zonen 2, 4 des Thyristors 1 gebildeten Diode sein. Ihre Zenerspannung muß kleiner als die Durchbruchsspannung des pn-Übergangs 8 sein, also zum Beispiel kleiner als 10 V.

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Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen. Diese zeigen den Katodenstrom i und die Anoden-Katodenspannung u beziehungsweise den Hilfsanschlußstrom irr und die Spannung u am Kondensator 10. Zunächst sei angenommen, daß der Thyristor leitet. Damit fließt ein durch die treibende Spannung und den Widerstand im Lastkreis bestimmter Strom i von der Anode zur Katode. Am Thyristor liegt eine kleine positive Durchlaßspannung u. Beim Abkommutieren des Stroms i am Ende der Halbwelle geht dieser ebenso wie die Spannung u durch Null und erreicht negative Werte (A). Der negative Strom (Rückstrom) kommt durch die im Halbleiterkörper gespeicherten Ladungsträger zustande. Da der katodenseitige Emitter-pn-Übergang 8 nun in den Sperrzustand übergeht, fließt der Strom wie durch die Pfeile angedeutet über die Hilfsemitterelektrode 6 und lädt den Kondensator 10 negativ gegenüber der Emitterelektrode 5, das heißt gegenüber der Katode, auf. Dadurch, daß der pn-übergang 8 nicht durch die Emitterelektrode 5 kurzgeschlossen ist, fließt der Rückstrom zunächst ausschließlich in den Kondensator 10, bis unter dem Emitter 2 die Durchbruchsspannung des pn-Übergangs erreicht wird. Der Kondensator wird negativ bezüglich der Katode aufgeladen. Die maximale Kondensatorspannung wird durch die Zenerdioden 13» 14 bestimmt. Eine Entladung des Kondensators 10 auf einen unterhalb der Zenerspannung liegenden Wert wird durch den in Sperrichtung vorgespannten pn-übergang 8 verhindert.

Bei Einsetzen der positiven Spannung (Blockierspannung) kehrt sich der Strom irr ebenfalls um. Dies ist durch die positive Stromspitze nach dem Nulldurchgang der Spannung in Fig. 3 charakterisiert (B). Der Stromweg ist in Fig. 1 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet. Dieser Strom rührt von im Halbleiterkörper gespeicherten,

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noch nicht rekombinierten Ladungsträgern her. Dieser Strom könnte den Thyristor zünden, wenn er nicht in den Kondensator 10 fließen würde. Der Thyristor zündet so lange nicht, wie die Spannung am pn-übergang 8 gegenüber der Katode je nach Temperatur unter 0,3 ... 0,5 V bleibt. Diese Spannung wird durch den spezifischen Querwiderstand der Basiszone 4, durch die Breite der Emitterzone 2 und durch den Strom irr bestimmt. Die Freiwerdezeit des Thyristors wird um so mehr verkürzt, je stärker negativ der Kondensator aufgeladen ist, weil dementsprechend ein höherer Strom fließen kann, ehe es zur Zündung kommt.

Beim Zünden des Thyristors über die Steuerelektrode 7 fließt der Laststrom des die Hilfsemitterzone 3 enthaltenden Hilfsthyristors zunächst in den Kondensator, bis an der Hilfsemitterelektrode 6 eine Spannung erreicht ist, die größer als die Schwellspannung der durch die Zonen 2 und 4 des Thyristors gebildeten Diode ist.

Liegt diese Spannung zum Beispiel bei ca. 0,5 V, so wird der Kondensator 10 auf etwa +0,5 V bezüglich der Katode, das heißt der Emitterelektrode 5, aufgeladen. Im Durchlaßzustand des Thyristors fließt dann weiter kein Strom in den Kondensator 10. Es fließt lediglich ein Strom über den Widerstand 11 und die Diode "12 zur Katode. Dieser Strom kann durch Wahl des Widerstandes 11 eingestellt werden. Er kann gleichgroß oder auch kleiner sein als derjenige Strom, der bei Thyristoren mit herkömmlichen Emitter-Basis-Nebenschlüsse im Betriebsfall über die Nebenschlüsse fließen würde.

Neben der Freiwerdezeit eines Thyristors sind die Überkopfzündfestigkeit und die du/dt-Festigkeit weitere charakteristische Größen. Für die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung in bezug auf die Überkopfzündfe-

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stigkeit ist davon auszugehen, daß der Kondensator 10 positiv bezüglich der Emitterelektrode 5 aufgeladen ist. Der Blockierstrom des Thyristors fließt über den Widerstand 11 und die Diode 12 zur Katode. Der Spannungsabfall über den Widerstand 11 und die Diode 12 muß dabei kleiner als die Schwellspannung der Thyristordiode 2, 4 von beispielsweise 0,3 V bleiben. Dabei kann beispielsweise ein Strom von 100 mA fließen, ohne daß die Emitterzone 2 emittiert. Der Thyristor zündet in diesem Fall also nicht. Die Funktion der üblichen Emitterkurzschlüsse wird im wesentlichen durch den Widerstand und durch die Diode übernommen.

Zur Erläuterung der du/dt-Festigkeit sei als Ausgangssituation angenommen, daß der Kondensator 10 bezüglich der Emitterelektrode 5 negativ aufgeladen oder entladen ist. Der bei Anlegen einer Spannung mit hoher Steilheit auftretende impulsförmige Verschiebungsstrom fließt in den Kondensator 10 und über den Widerstand 11 und die Diode 12 zur Katode. Die Elemente müssen auch in diesem Fall so bemessen sein, daß kein Spannungsabfall größer als ca. 0,3 V auftritt. Dies kann auch dadurch unterstützt werden, daß die Emitterzone 2 schmal gemacht wird. Zusätzlich kann die Hilfsemitterelektrode unterteilt und ein Teil 15 auf der der Hilfsemitterzone 3 abgewandten Seite der Emitterzone 2 angeordnet sein. Ein Teil des Stroms fließt dann über den Teil 15, so daß der Spannungsabfall unter der Emitterzone 2 verringert wird. Bei Thyristoren mit unterteilter Emitterzone liegt dann zweckmäßigerweise beiderseits aller Emitterzonenteile ein Teil der Hilfsemitterelektrode, also auch am Außenrand des Halbleiterkörpers. Die Funktion der üblichen Emitterkurzschlüsse wird in diesem Fall im wesentlichen durch den Kondensator übernommen.

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In der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 wird der Kondensator 10 über die Sekundärwicklung eines Stromwandlers 18 mit Sättigungscharakteristik durch den Rückstrom aufgeladen. Die Primärwicklung des Stromwandlers 18 liegt im Anoden-Katodenkreis des Thyristors 1. Das Wicklung sverhältnis kann zum Beispiel 1 : 1 betragen. Zwischen der Sekundärwicklung des Stromwandlers und dem Kondensator 10 liegt eine Diode 19, die eine Entladung des Kondensators 10 über die Sekundärwicklung verhindert. Der Sekundärwicklung ist eine Diode 22 parallelgeschaltet, die durchflossen wird, wenn der Thyristor in Durchlaßrichtung Strom führt. Wenn diese Diode nicht vorhanden ist, muß die Diode 19 eine hohe Sperrfähigkeit aufweisen. Die Primärwicklung des Übertragers könnte statt in der Katodenzuleitung 17 auch in der Anodenzuleitung 16 liegen. Die Zuleitung für die Steuerelektrode ist mit 20 und die Zuleitung für den Hilfsemitter mit 21 bezeichnet. Die übrigen Teile tragen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 liegt die Primärwicklung des Stromwandlers 18 in Reihe mit einem RC-Glied 23, 24. Die Reihenschaltung ist der Anoden-Katodenstrecke des Thyristors 1 parallelgeschaltet. Diese Art der Ankopplung der Primärwicklung empfiehlt sich bei komplexen Anlagen, bei denen der Anoden-Katodenstromkreis nicht ohne weiteres zugänglich ist.

Mit den beschriebenen Schaltungsanordnungen läßt sich eine Verkürzung der Freiwerdezeit erreichen. Die Bildung des Nebenschlusses über außerhalb des Thyristors liegende Elemente bringt es mit sich, daß der Emitter selbst ohne jeden Nebenschluß ist. Damit kann sich der Zündvorgang ungehindert über die Emitterfläche ausbreiten.

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Die Elemente der Schaltungsanordnung können bei einem Durchmesser des Halbleiterkörpers von zum Beispiel 50 mm wie folgt dimensioniert sein: Kondensator 10 = 40 /uF, Widerstand 11 = 1-Π.. Die Größe beider Elemente ist der Tablettenfläche etwa proportional anzupassen.

Die Schottky-Diode 12 soll bei einer Stromstärke von 1 A eine Flußspannung von < 0,2V haben. Der Flächenwiderstand unter der Emitterzone 2 kann zwischen 50 und 500 -Ω. pro Quadrat liegen. Die Breite der Emitterzone 2 soll zwischen 1 und 5 mm liegen, das heißt, der Emitter kann zum Beispiel als eine Fingerstruktur ausgebildet sein.

5 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

VPA 78 P t G 0 5 BRO Patentansprüche

"U Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Freiwerdezeit eines Thyristors mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine von einer Emitterelektrode kontaktierte Emitterzone und mindestens eine von einer Hilfsemitterelektrode kontaktierte Hilfsemitterzone und Basiszone aufweist, mit einem Nebenschluß zwischen der Emitterzone und der Basiszone, sowie mit einem zwischen Emitterelektrode und Hilfsemitterelektrode angeschlossenen Kondensator, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Die Emitterelektrode (5) ist auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers des Thyristors (1) elektrisch nur mit der Emitterzone (2) verbunden;

der Nebenschluß ist lediglich durch den Kondensator (10) gebildet, dem eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (11) und einer Diode (12) parallelgeschaltet ist;

die Diode (12) hat eine kleinere Schwellspannung als die von der katodenseitigen Emitterzone (2) und Basiszone (4) des Thyristors (1) gebildete Diode; die Diode (12) ist gegenüber der Katode (5) gleichsinnig wie die Diode (2, 4) des Thyristors (1) gepolt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Diode (12) eine Schottky-Diode ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (10) mindestens eine Zenerdiode (13, 14)

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parallel geschaltet ist und daß die Zenerdiode bezüglich der Katode gleichsinnig wie die Diode (12) gepolt ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Im Anoden-Katodenkreis des Thyristors (1) liegt die Primärwicklung eines Stromwandlers (18) mit Sättigungschar akteri stik;

die Sekundärwicklung des Stromwandlers ist über eine weitere Diode (19) mit dem Kondensator (10) verbunden;

die weitere Diode (19) ist so gepolt, daß der Kondensator (10) durch einen den Thyristor (1) durchfließenden Rückstrom negativ aufgeladen wird.

5· Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Dem Thyristor (1) ist ein RC-Glied (23, 24) parallelgeschaltet;

in Reihe mit dem RC-Glied (23, 24) liegt die Primärwicklung eines Stromwandlers (18) mit Sättigungscharakteristik;

die Sekundärwicklung des Stromwandlers (18) ist über eine weitere Diode (19) mit dein Kondensator (10) verbunden ;

die weitere Diode (19) ist so gepolt, daß der Kondensator (10) durch einen den Thyristor (1) durchfließenden Rückstrom negativ aufgeladen wird.

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