NO852635L - Halvleder-effektbryter med tyristor. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en halvleder-effektbryter med en tyristor.

Slike effektbrytere består i alminnelighet av symmetrisk sperrende tyristorer med sonesekvens n<+>pnp<+>. Symmetrisk sperrende tyristor betyr at tyristoren kan sperre en i det minste tilnærmet like stor spenning både i kippretning og i sperreretning. I ledende tilstand er tyristorens svakt doterte midtsoner oversvømmet med ladningsbærere. Er ladningen tømt ut, kan tyristoren oppta sperrespenning. Ladningen blir derfor betegnet som sperreforsinkelsesladning Qrrog utgjør en karak-teristisk størrelse for hver tyristor. Den avhenger i det vesentlige av midtsonens tykkelse, dvs. av den maksimalt mulige sperrespenning, og er omtrent proporsjonal med kvadratet av midtsonens tykkelse. Med stigende maksimal sperrespenning tiltar derfor størrelsen Qrr progressivt.

Den lagrede ladning fører til at tyristoren like etter strømmens nullgjennomgang ennå ikke kan sperre. Gjennom tyristoren kan der derfor gå en tilbakestrøm så lenge til ladningsbærerne ikke er tilnærmelsesvis uttømt fra midtsonen. Først ved tilbakestrømmens toppunkt begynner tyristoren å oppta sperrespenning. Blir slike tyristorer drevet på induktiv belastning, bygger der seg på induktiviteten opp en spenning som påkjenner tyristoren i sperreretning. Høyden av denne spenning er bestemt ved styrken av tilbakestrømmen og dermed av sperreforsinkelsesladningens størrelse såvel som av strøm-kretsparametrene og en tilkoblet RC-krets.

Lagringsladningen ville riktignok kunne minskes ved

at tyristorens yttersoner ble svakere dotert. Men dermed ville også tyristorens gjennomslipningsspenning bli høyere og den i tyristoren omsatte tapseffekt øke.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å utforme en halvleder-effektbryter med en tyristor videre slik at sperreforsinkelsesladningen og dermed også frigivningstiden ved gitt sperrespenning blir mindre, uten å øke gjennomslip-ningsstrømmen U^.

Oppfinnelsen erkarakterisert vedat tyristoren er en asymmetrisk sperrende tyristor, og at der i serie med tyristoren er koblet en diode.

Med en asymmetrisk sperrende tyristor forstår man en tyristor som i det vesentlige bare kan oppta sperrespenning U^., i forlengsretning. I baklengsretning kan en slik tyristor

DRM '

bare oppta en vesentlig lavere sperrespenning på noen 10-talls volt.

Et foretrukket utførelseseksempel består i at der er koblet en hjelpediode antiparallelt til tyristoren. Ytterligere hensiktsmessige utformninger er gjenstand for uselv-stendige patentkrav.

Oppfinnelsen vil bli belyst nærmere ved to utførelses-eksempler under henvisning til fig. 1, 2, 4 og 5. Fig. 1 er et koblingsskjerna for et første utførelses-eksempel. Fig. 2 er et koblingsskjerna for et ytterligere foretrukket utførelseseksempel. Fig. 3 viser skjematisk snitt gjennom en asymmetrisk sperrende tyristor. Fig. 4 og 5 er sideriss av hver sin halvlederenhet be-stående av en asymmetrisk tyristors halvlederlegemer pluss diode.

Halvleder-effektbryteren på fig. 1 består av en asymmetrisk sperrende tyristor 1 og en diode 2 seriekoblet med denne. Dioden 2 kan i den forbindelse være seriekoblet med tyristoren 1 på anodesiden som vist, eller også på katodesiden. Oppbygningen av den asymmetrisk sperrende tyristor 1 er antydet skjematisk på fig. 3. Tyristoren består av to høydoterte yttersoner 4 og 8 som er sterkt n- resp. sterkt p-dotert.

Til den sterkt doterte yttersone 4 slutter seg en svakere p-dotert sone 5. Til sonen 5 slutter seg så en svakt n-dotert sone 6. Denne har største tykkelse sammenholdt med alle de øvrige soner. Mellom den svakt n-doterte sone 6 og den sterkt p-doterte sone 8 ligger et såkalt stoppskikt 7 som er sterkt n-dotert. Denne sone 7 bevirker at romladningssonen av tyristoren 1 kan bre seg ut fra pn-overgangen mellom sonene 5

og 6 og inn i sone 7. Dermed fås i første tilnærmelse på

grunn av det gunstigere feltstyrkeforløp i sone 6 en for-dobling av sperrespenningen i forlengsretning UDRMi forhold

til en symmetrisk sperrende tyristor med samme tykkelse av den svakt n-doterte sone.

Lignende forhold som for den asymmetrisk sperrende tyristor fremkommer for en diode, da denne i alminnelighet har en sonesekvens p<+>pn n<+>. Dermed behøver også en diode bare omtrent halvparten så stor bredde av den svakt doterte midtsone som en symmetrisk sperrende tyristor med like høy sperrespenning. Da sperreforsinkelsesladningen som nevnt innlednings-vis er omtrent proporsjonal med kvadratet av den svakt doterte midtsones tykkelse, fås for halvleder-effektbryteren på fig. 1 i første tilnærmelse en lagringsladning som bare utgjør en fjerdedel av den hos en symmetrisk sperrende tyristor med samme sperrespenning. Ved en dimensjonering på samme sperreforsinkelsesladning er gjennomslipningsspenningen for halvleder-effektbryteren på fig. 1 mindre enn gjennomslipningsspenningen for en symmetrisk sperrende tyristor med samme sperrespenning, da en diode sammenholdt med en tyristor med samme sperrespenning og like stor aktiv flate oppviser en mindre gjennomslipningsmotstand. En halvleder-effektbryter med symmetriske sperreegenskaper får man dersom sperrespenningen i forlengsretning UDRM av tyristoren 1 er lik sperrespenningen i baklengsretning URrmav dioden 2.

Blir en effektbryter i henhold til fig. 1 drevet i strøm-rettere, f.eks. i likestrøm-choppers, blir tyristoren 1 be-lastet med tilbakestrøm, dvs. at den får avalanche-gjennom-brudd. Da ikke enhver ASCR egner seg like godt for denne driftsform, f.eks. idet der kan inntre en påtagelig økning av frigivningstiden, blir der fortrinnsvis koblet en diode 3 antiparallelt til tyristoren 1, som vist på fig. 2. Tilbake-strømmen går da gjennom den antiparallelt koblede hjelpediode

3 og forhindrer en høyere sperrebelastning på den anvendte

ASCR.

Det er å anbefale å dimensjonere dioden 2 slik at den oppviser større sperreforsinkelsesladning Qrr enn tyristoren 1. I så fall kan tyristoren tømmes raskt. Er diodens sperreforsinkelsesladning mindre enn tyristorens, må ladningsbærerne i tyristoren etter avsluttet tømning av dioden forsvinne ved rekombinasjon, noe som er ensbetydende med en forlengelse av frigjøringstiden.

Bryterne på fig. 1 og 2 kan oppbygges med diskrete kompo-nenter. Imidlertid er det f.eks. mulig å integrere hjelpedioden 3 i halvlederlegemet hos tyristoren 1. Slike tyristorer er kjent som baklengsledende tyristorer (RLT). Det er også mulig å sammenføye halvlederlegemene hos tyristor 1 og diode 2 til en enhet. En første mulighet er vist på fig. 4. Her er halvlederlegemet hos tyristoren 1 betegnet med 11, og halvlederlegemet hos dioden 2 med 12. Halvlederlegemene 11

og 12 kan være forbundet innbyrdes ved et legeringsskikt 9. I dette tilfelle ligger hensiktsmessig anodesiden av tyristorens halvlederlegeme 11 på katodesiden av halvlederlegemet

12 hos anoden 2. Enheten er forsterket med en bærerskive

13 som er forbundet med enheten ved et legeringsskikt 10. Bærerskiven 13 består på kjent måte av molybden eller wolfram.

Det er også mulig å legere halvlederlegemene 11 og 12 til begge sider av bærerskiven 13 som vist på fig. 5. Også her er halvlederlegemet 11 hos tyristoren 1 hensiktsmessig legert til bærerplaten 13 med sin anodeside, da katodesiden i alminnelighet inneholder gate-strukturene. Halvlederlegemet 12 hos dioden 2 er da forbundet med bærerplaten 13 på sin anodeside.

Claims (6)

1. Halvleder-effektbryter med en tyristor, karakterisert ved at tyristoren (1) er en asymmetrisk sperrende tyristor, og at der i serie med tyristoren er koblet en diode ( 2) .

2. Effektbryter som angitt i krav 1, karakterisert ved at der antiparallelt til tyristoren (1) er koblet en hjelpediode (3).

3. Effektbryter som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hjelpedioden (3) er integrert i tyristorens (1) halvlederlegeme.

4. Effektbryter som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at dioden (2) er dimensjonert slik at der er lagret en større sperreforsinkelsesladning i den enn i tyristoren (1) .

5. Effektbryter som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at halvlederlegemene (11, 12) hos tyristor og diode er sammenlegert slik at anodesiden av tyristorens halvlederlegeme ligger på katodesiden av diodens halvlederlegeme (12), og at der til anodesiden av halvlederlegemet (12) er legert en bærerplate (13).

6. Effektbryter som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at tyristorens halvlederlegeme (11) på sin anodeside er legert til en side av en bærerplate (13) og at diodens halvlederlegeme (12) på sin katodeside er legert til den annen side av bærerplaten (13).