CH630491A5

CH630491A5 - Leistungsthyristor, verfahren zu seiner herstellung und verwendung derartiger thyristoren in stromrichterschaltungen.

Info

Publication number: CH630491A5
Application number: CH652278A
Authority: CH
Inventors: Christian Ruetsch; Roland Dr Sittig
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1982-06-15
Also published as: GB2023343A; DE2830382A1; IT7923510A0; JPS553698A; IT1121080B; GB2023343B; US4231054A; SE7905052L; FR2428919A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsthyristor mit mindestens zwei auf der kathodenseitigen Basiszone angeordneten Elektroden, wobei eine der beiden Elektroden als Zündgate und die zweite Elektrode als Generatorgate zur Entnahme s eines Stromes verwendet wird; sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Thyristoren und eine Verwendung derartiger Thyristoren in Stromrichterschaltungen, in denen mehrere Thyristoren parallelgeschaltet sind.

In grossen Anlagen der Leistungselektronik müssen häufig io mehrere Thyristoren parallel geschaltet werden. Dabei ist es möglich, dass bei ungünstigen Betriebsbedingungen einzelne Elemente nicht zünden oder bei niedrigen Strömen ausgehen. Bei einem nachfolgenden Stromanstieg können dann die eingeschalteten Thyristoren überlastet und zerstört werden. Zur 's Vermeidung solcher Ausfälle müssen gegenwärtig relativ aufwendige Massnahmen in der Schaltung getroffen werden (vgl. DE-OS 2612 549).

Aus der DE-OS 21 46 178 ist nun ein Thyristor bekannt, auf dessen kathodenseitiger Basiszone mehrere Elektroden vorgehe sehen sind. Ein Amplifyinggate (Hilfsthyristor) steuert dabei über sperrschichtfreie Leitungen mehrere über die Thyristoroberfläche verteilte Zündelektroden an, um einen gleichmässi-geren Zündvorgang zu gewährleisten. Ein von dem Amplifyinggate des gezündeten Hauptthyristors entnommener Strom 25 reicht indessen nicht aus, um einen entsprechenden parallelgeschalteten Thyristor zu zünden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Thyristor anzugeben, dessen Zünd- und Generatorgate derart dimensioniert sind, dass der von einem gezündeten Thyristor gelie-30 ferte Generatorstrom ausreicht, um einen entsprechenden nichteingeschalteten Thyristor zu zünden. Dabei soll der Anodenstrom Jo, des gezündeten Thyristors kleiner sein, als sein Stossstromgrenzwert, vorzugsweise aber kleiner als das dreifache des Dauergrenzstromes. Ferner soll ein Verfahren 35 zur Herstellung derartiger Thyristoren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Eine weitere Ausgestaltung dieser Merkmale ist in den abhängigen Patentansprüchen umschrieben.

40 Weitere Einzelheiten sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Querschnitt eines bekannten Thyri-■»5 stors,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild eines Thyristors nach Fig. 1 im gezündeten Zustand,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Thyristor nach der Erfindung (ohne Kathodenmetallisierung),

so Fig. 4 einen Querschnitt des Thyristors nach Fig. 3 entlang der Schnittlinie S-S,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung mehrerer parallel geschalteter Thyristoren nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Thyristor dargestellt, dessen Kathoden-, 55 P-Basis-, N-Basis-, und Anodenzone mit 1,2,3 und 4 bezeichnet sind. Die jeweiligen Zonenübergänge sind mit Ji, ]i und Jî benannt. Die Kathoden- und Anodenzone sind mit den Kontakten K und A und die P-Basiszone 2 mit dem Gate G versehen. Unter dem Gate G weist die P-Basiszone 2 eine höhere (P+) 6o Dotierung auf als unter der Kathodenzone 1.

Soll das Gate als Zündgate wirken, so muss der zwischen Kathodenzone 1 und Gate liegende laterale Widerstand Rgk möglichst klein sein, weil dann die über diesem Widerstand abfallende Spannung klein ist und die am Gateliegende Spanes nung unmittelbar auf den Zonenübergang Ji wirkt. Vorzugsweise soll der an dem Widerstand Rgk abfallende Spannungsabfall bei dem minimalen Zündstrom I' G kleiner als 0,2 V betragen. Der Thyristor zündet dann selbst bei kleiner Anodenspan

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nung. Um den Bahnwiderstand Rgk möglichst klein zu machen, wird der Abstand zwischen Gate, bzw. gateseitigen Rand der P+-Zone 5, und dem gateseitigen Rand der Kathodenzone 1 möglichst klein gemacht. Eine weitere Möglichkeit die Zündempfindlichkeit zu erhöhen besteht darin, den kathodenseitigen Gaterand möglichst kurz zu wählen.

Anders als im Falle des Zündgates ist bei der Dimensionierung des Generatorgates zu beachten, dass der zwischen Gate, bzw. der P+-Zone, und der Kathodenzone 1 befindliche laterale Widerstand R'gk möglichst gross gewählt wird. Mindestens sollte R'gk dreimal grösser sein als Rgk- Dieses soll anhand des in Fig. 2 dargestellten Ersatzschaltbildes eines gezündetes Thyristors erläutert werden. Danach besteht der gezündete Thyristor zwischen Kathodenkontakt K und Anodenkontakt A aus einer in Flussrichtung gepolten, durch den Übergang Ji gebildeten Diode und zwei den ohmschen Spannungsabfall im überschwemmten Gebiet (P- und N-Basiszone 2 und 3) charakterisierenden Widerstände Ri und R2. Zwischen Gate G und Anode A liegt hingegen eine reine Transistorstruktur. Dieser Transistor T wird durch den lateralen Elektronenstrom in der N-Basis 3 über einen entsprechenden Bahnwiderstand RN angesteuert. Sobald nun die Kollektor-Emitterspannung an dem Thyristor die Sättigungsspannung Usättig überschreitet, fliesst ein konstanter Kollektorstrom Ic. Der vom Gate G entnehmbare Strom IG ist dann:

t _ i Ugk - Jji

T}/

k gk

Je nach Grösse des Bahnwiderstandes R'Gk in der P-Basis-zone 2 überlagert sich dem Kollektorstrom Ic noch ein weiterer Strom. Eine Erhöhung des Generatorstromes IG ist also - abgesehen von der Wahl eines längeren Gaterandes - im wesentlichen dadurch möglich, dass der Bahnwiderstand und/oder der Kollektorstrom Ic entsprechend gross gewählt werden. Einen grossen Wert für Ic erhält man insbesondere dann, wenn der durch den Thyristor fliessende Strom Jo entsprechend gross gewählt wird, da Ic ~ ^ßoisU wobei jo die Stromdichte des gezündeten Thyristors unterhalb der Kathode bedeutet. Für grosse Widerstandserte R'gk kann das Gate im Idealfall den Strom Ic bei einer Spannung von UAK - Usättjg liefern.

Aus den vorstehenden Ausführungen folgt, dass es wenig sinnvoll wäre bei parallelgeschalteten Thyristoren nur jeweils ein einziges Gate zu verwenden und diese untereinander zu verkoppeln, weil die Forderungen nach grossen Generatorströmen oder hoher Zündempfindlichkeit entweder zu entgegengesetzten Lösungen führen (grosser bzw. niedriger Bahnwiderstand RGk; lange bzw. kurze Randlänge des Gates) oder aber Ströme Jo erfordern, die ein Vielfaches des Nennstromes betra-5 gen können. Letzteres liesse sich aber nur selten realisieren, weil die Gefahr bestände, dass jeweils der gezündete Thyristor zerstört werden würde. So betrug beispielsweise bei einem im Handel erhältlichen Thyristor mit Zentralgate und einer Randlänge von 2,4 cm, der erforderliche Zündstrom 415 mA. Der 10 Generatorstrom IG hingegen betrug selbst bei einem Strom Jo von 1500 A (jo ^ 100 A/cm) nur 240 m A und reichte daher nicht aus, um einen parallelgeschalteten entsprechenden Thyristor zu zünden.

In den Fig. 3 und 4 ist dieser Thyristor mit geänderter Gate-15 struktur dargestellt. Weder die mit 6 bezeichneten Emitterkurzschlüsse noch die Dotierungen oder Abmessungen der Zonen 3 und 4 wurden geändert. Hingegen wurde das Zentralgate durch die beiden nebeneinanderliegenden Gates, das Zündgate ZG und das Generatorgate GG, ersetzt. Die Randlänge des Zünd-20 gates ZG beträgt 1 cm und diejenige des Generatorgates GG ist etwa doppelt so lang. Die dem Bahnwiderstand entsprechende Entfernung zwischen Zündgate ZG und Kathodenzone 1 wurde von ursprünglich 300 (im auf 50 bis 100 (im verringert. Zur Zündung reicht dann eine Gatespannung von 1 V bei einem 25 Zündstrom von nur 175 m A aus.

Der Abstand zwischen Gate und Kathode, gemessen vom kathodenseitigen Rand der P+-Zone 5" bis zum gateseitigen Rand der Kathodenzone 1, beträgt 100 bis 200 |im. Zur Erhöhung des entsprechenden Bahnwiderstandes R'gk erfolgt eine 30 zusätzliche Ätzung eines Grabens 7 in der P-Basis 2. Der Graben weist eine Tiefe von 30 bis 40 um auf. Diese Grabenätzung bietet den Vorteil, dass der Widerstand R'gk stark erhöht werden kann, ohne dass der Abstand des Gates von der Kathodenzone zuzunehmen braucht.

35 Zur Kontaktierung weisen die Gates nebeneinander liegende metallisierte Flächen 8,8' auf. Für den Thyristor sind diese Bereiche völlig passiv. Zur Isolierung gegen die P-Basis 2 wird die Metallisierung auf eine dünne Oxidschicht (1500 bis 2000 Â) 9 aufgebracht. Der Stromstoss, der bei einem Span-40 nungsanstieg in diesem Bereich entsteht, kann über benachbarte Kurzschlüsse 10 an die Kathode abgeführt werden.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, kann zur Verkopplung mehrerer parallelgeschalteter Thyristoren Thi, Th2, Thî jeweils das Generatorgate GG des einen direkt mit dem Zündgate ZG des 45 nächsten Thyristors verbunden werden.

2 Blatt Zeichnungen

Claims

630491 PATENTANSPRÜCHE

1. Leistungsthyristor mit mindestens zwei auf der kathoden-seitigen Basiszone angeordneten Elektroden, wobei eine der beiden Elektroden als Zündgate und die zweite Elektrode als Generatorgate zur Entnahme eines Stromes verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem Generatorgate (GG) und der Kathodenzone (1) befindliche laterale Bahnwiderstand (R'gk) und/oder die Randlänge des Generatorgates (GG) so gross gewählt sind/ist, dass der am Generatorgate (GG) des gezündeten Thyristors - bei einem Anodenstrom, der kleiner als der Stossstromgrenzwert des jeweiligen Thyristors ist - entnehmbare Strom (IG) ausreicht, um einen entsprechenden parallelgeschalteten Thyristor über dessen Zündgate (ZG) zu zünden, und dass der zwischen dem Zündgate (ZG) und der Kathodenzone (1) liegende laterale Widerstand (Rgk) kleiner als der zwischen dem Generatorgate und der Kathodenzone befindliche laterale Bahnwiderstand (R'gk) ist, damit die an dem Zündgate (ZG) liegende Zündspannung direkt auf den kathodenseitigen Emitterübergang (Ji) wirken kann.

2. Leistungsthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Thyristor mit Emitterkurzschlüssen (6) die folgenden beiden Beziehungen gelten:

Rgk/R'GK^/3

I'G*Rgk^0>2V

wobei mit R'gk der laterale Bahnwiderstand zwischen dem Generatorgate und der Kathodenzone, mit Rgk der laterale Bahnwiderstand zwischen dem Zündgate und der Kathodenzone und mit I'G der minimale Gatestrom bezeichnet ist, bei dem der Thyristor noch zündet.

3. Leistungsthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Zündgate (ZG) und ein Generatorgate (GG) nebeneinander angeordnet sind, dass die Kontaktie-rung der Gates mit der Basiszone (2) über einen schmalen der Kathode zugewandten Randbereich (5,5', 5") erfolgt, unter dem die Randkonzentration der Basiszone (2) grösser ist, als in dem Bereich zwischen den Gates und der Kathodenzone (1), und dass zwischen dem übrigen Teil der Gates und der Basiszone (2) sich eine 500 bis 2000 Â dicke Isolierschicht (9) befindet.

4. Leistungsthyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Teil der Gates, der gegenüber der Basiszone (2) isoliert ist, jeweils ein streifenförmiger Emitterkurzschluss (10) vorgesehen ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer bestimmten Thyristorstruktur die gewünschte Zündempfindlichkeit des Zündgates durch Verkleinerung des zwischen dem Zündgate (ZG) und der Kathodenzone (1) befindlichen lateralen Bahnwiderstandes (Rgk) eingestellt wird und dass der erforderliche Generatorstrom durch Vergrösserung des zwischen dem Generatorgate und der Kathodenzone befindlichen lateralen Bahnwiderstandes (R'gk) und/oder durch Erweiterung der Randlänge des Generatorgates'(GG) eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Bahnwiderstand (R'gk) zwischen dem Generatorgate (GG) und der Kathodenzone (1) dadurch vergrössert wird, dass in diesem Bereich der Basiszone ein 30 bis 40 ^.m tiefer Graben geätzt wird.

7. Verwendung der Thyristoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in einer Stromrichterschaltung, in der mehrere Thyristoren parallel geschaltet sind, wobei jeweils das Generatorgate (GG) des einen direkt mit dem Zündgate (ZG) des nächsten Thyristors verbunden ist.