DE2607678A1

DE2607678A1 - Anordnung zum herabsetzen der freiwerdezeit eines thyristors

Info

Publication number: DE2607678A1
Application number: DE19762607678
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Dr Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-02-25
Filing date: 1976-02-25
Publication date: 1977-09-01
Also published as: CA1063189A; JPS52104045A; JPS6149909B2; US4110638A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA

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P 10 1 C BRD

Anordnung zum Herabsetzen der Freiwerdezeit eines Thyristors __

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Herabsetzen der Freiwerdezeit eines mit einer Hauptemitterelektrode und einer Steuerelektrode versehenen Thyristors, welcher einen den Steuerstrom verstärkenden Hilfsthyristör mit einer Hilf .^emitterelektrode aufweist» mit einer mit dem Hilfsthyristör verbundenen Spannungsquelle, welche einen Strom in die Hilfseraitterelektrode einspeist, dessen Richtung der Richtung des Steuerstroms entgegengesetzt ist.

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

Es ist bereits bekannt, daß sich die Freiwerdezeit eines Thyristors herabsetzen läßt, indem ein Strom in die Steuerelektrode eingespeist wird, dessen Richtung der Richtung des Steuerstroms entgegengesetzt ist. Damit wird bei der Wiederkehr der positiven Spannung ein Teil dor im Halbleiterkörper gespeicherten Ladungsträger abgesaugt und somit für das Auslösen einer ungewollten Zündung unwirksam.

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Hab 12 Dx / 19.2.1976

7 0 H H Ί Ί / [J 3.0 U .

Die bekannten Anordnungen zur Herabsetzung der Freiwerdezeit eines Thyristors erfordern jedoch einen erheblichen elektronischen Aufwand, da sowohl Steuerimpulse mit der einen Polarität als auch Impulse mit der umgekehrten Polarität mit Hilfe ein und derselben Impulsquelle erzeugt werden müssen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung der eingangs geschilderten Gattung anzugeben, die bei Thyristoren mit innerer Zündstromverstärkung weniger Aufwand erfordert.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle dauernd zwischen Hauptemitterelektrode und Hilfsemitterelektrode liegt.

Zweckmäßigerweise besteht die Anordnung aus einer Spannungsquelle mit im wesentlichen konstanter Spannung. Dieser kann ein Widerstand in Reihe geschaltet v/erden. Die Spannungsquelle kann auch aus der Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand bestehen, welchem eine Diode parallelgeschaltet ist. Die Diode ist so gepolt, daß der Kondensator durch den bei der Kommutierung in Sperrichtung durch den Thyristor fließenden Strom aufgeladen wird. Hierbei können die Steuerelektrode und die Hilfsemitterelektrode parallelgeschaltet sein.

Die Hauptemitterelektrode kann mit der Steuerelektrode auch über wenigstens eine weitere Diode verbunden sein, welche bezüglich des Entladestroms des Kondensators in Durchlaßrichtung gepolt ist. Zweckmäßigerweise sind der Widerstand und der Kondensator so aufeinander abgestimmt, daß einerseits am Kondensator am Ende der Freiwerdezeit noch Spannung anliegt und daß andererseits t = (R^ + R₂)C ist, wobei t die Freiwerdezeit und R« der Querwiderstand unter dem Hauptemitter ist. Die Anordnung mit der Spannungsquelle mit im wesentlichen konstanter Spannung kann auch so modifiziert werden, daß zusätzlich zwisehen Steuerelektrode und Hauptemitterelektrode eine weitere Spannungsquelle mit im wesentlichen konstanter Spannung liegt.

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

Fig. 1 das Prinzip einer Anordnung zum Herabsetzen der Freiwerdezeit nach dem Stand der Technik und

Fig. 2 bis 5 verschiedene Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung.

Die bekannten Anordnungen zum Herabsetzen der Freiwerdezeit bestehen im Prinzip aus einer Spannungsquelle, die Impulse beider Polarität liefern kann. Diese ist in Fig. 1 der besseren Übersicht halber nicht dargestellt. Die Spannungsquelle ist einerseits über eine Elektrode 8 mit der p-Basiszone 2 einer aus den Zonen 1, 2, 3 und 4 bestehenden Thyristörtablette und andererseits über eine Diode 10 und eine Hilfsemitterelektrode 7 mit dem Hilfsemitter 5 verbunden. Der n-Emitter und der p-Emitter 4 ist mit einer Emitterelektrode 6 beziehungsweise mit einer Elektrode 9 kontaktiert.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise soll angenommen werden, daß im Halbleiterkörper von der vorangegangenen Durchflußbelastung Ladungsträger gespeichert sind und daß an den Thyristor eine steil ansteigende positive Spannung angelegt wird. Es liege zum Beispiel die Emitterelektrode 6 auf Potential Null und die Elektrode 9 gegenüber dem Emitter 1 auf positivem Potential.

Dann fließt ein Teil der im Halbleiterkörper gespeicherten Ladungsträger parallel zum zwischen Emitter 1 und Basis 2 liegenden pn-übergang zur Emitterelektrode 6 ab. Der Strom wird durch die gestrichelten Pfeile symbolisiert. Wird an einem Punkt des pn-Übergangs die zur Zündung führende Spannung erreicht, die etwa 0,5 V beträgt, so kann der aus den Zonen 1, 2, 3, 4 bestehende Hauptthyristor zünden, auch ohne daß ein Steuerimpuls an die Steuerelektrode 8 angelegt worden ist. Das bedeutet, daß die Freiwerdezeit des Thyristors für die Betriebsfrequenz, bei der er eingesetzt ist, zu groß ist.

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Wird an die Hilfsemitterelektrode 7 über die Diode 10 ein negativer Impuls angelegt, so fließt ein großer Teil der im Halbleiterkörper gespeicherten Ladungsträger zur Hilfsemitterelektrode 7 ab und nur noch ein entsprechend kleinerer Teil unter dem pn-übergang zwischen den Zonen 1 und 2 zur Hauptemitterelektrode 6. Der Stromverlauf ist in diesem Fall durch die ausgezogenen Linien veranschaulicht. In diesem Fall reicht, wenn der negative Impuls an der Hilfsemitterelektrode 7 kräftig genug ist, der zur Hauptemitterelektrode 6 fließende, durch die gespeicherten Ladungsträger hervorgerufene Strom nicht aus, um den Thyristor zu zünden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wurde der Einfachheit halber der größte Teil des Halbleiterkörpers nicht dargestellt. Der Anordnung nach Fig. 1 entsprechende Teile des Thyristors sind, wie auch in den Fig. 3 bis 5, mit gleichen Bezugsaeichen versehen. Die zum Herabsetzen der Freiwerdezeit vorgesehene Stromquelle ist hier zwischen Hauptemitterelektrode 6 und Hilfsemitterelektrode 7 eingeschaltet. Sie besteht aus einem Kondensator C und einem Widerstand R₁, dem eine Diode D_-. parallelgeschaltet ist. Die Diode D,. ist so gepolt, daß der Kondensator durch einen Rückstrom in aufgeladen wird, der beim Kommutieren des Thyristors in Sperrichtung fließt. Die Diode D. sollte niedrige Durchlaßspannung haben. Sie kann zum Beispiel eine Schottky-Diode sein. Der Widerstand R₁ ist so dimensioniert, daß er kleiner ist als der Widerstand zwischen der Hilfsemitterelektrode 7 und der Emitterelektrode 6 in der Zone 2 der Halbleitertablette. Dieser Widerstand wurde im Halbleiterkörper gestrichelt eingezeichnet und trägt das Bezugszeichen Rp·

Die Schaltung muß eine Reihe von Bedingungen erfüllen:

1. Der Widerstand R₁ muß einen Wert haben, der sicherstellt, daß beim Einschalten des Hilfsthyristors nicht zuviel Strom in den entladenen Kondensator C fließt.

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2. Die Entladezeitkonstante (R., + R₂)C ^mu^ S^roß genug sein, daß am Ende der Freiwerdezeit noch Spannung am Kondensator anliegt. Andererseits ist die Anordnung im Hinblick auf die Verkürzung der Freiwerdezeit um so wirkungsvoller, je kleiner R^ ist. Der Widerstand R₂ ist durch das Bauelement festgelegt. Er beträgt zum Beispiel 2 Ohm. Der Widerstand R^ sollte kleiner sein als R₂ und kann beispielsweise 0,5 Ohm betragen. Bei einer durch die Kommutierung in den Kondensator fließenden Ladung Q ist die Spannung am Kondensator U_Q = Q/C. Gegen Ende der Freiwerdezeit sollte die verbleibende Spannung möglichst hoch sein. Das wird erreicht, wenn für eine Freiwerdezeit t der Widerstand R^ und die Kapazität C so eingestellt werden, daß (R.. + R₂)C = t ist. Hat der Thyristor eine Freiwerdezeit von 10 ms, so sollte also in diesem Beispiel der Kondensator C einen Wert von k /uF haben-

Bei Beanspruchung in Sperrichtung fließt der durch die ausgezogenen Pfeile dargestellte Strom aus dem Halbleiterkörper zum größten Teil über die Hilfsemitterelektrode 7 und die Diode D₁ ab. Der Kondensator C wird durch den Rückstrom i_R in der angegebenen Polarität aufgeladen. Zu einem geringen Teil fließt der Strom auch zur Emitterelektrode 6.

In der Anordnung nach Fig. 2 ist der Steuerkreis nicht zwischen Steuerelektrode und Hauptemitterelektrode, sondern zwischen Steuerelektrode und Hilfsemitterelektrode angeschlossen. Diese Anordnung ist notwendig, um ein Entladen des Kondensators C über den Steuerkreis zu vermeiden. Der Hilfsthyristor benötigt im allgemeinen keine negative Vorspannung, da er meist wesentlich kürzer als der Hauptthyristor eingeschaltet bleibt, und daher die gespeicherten Träger mehr Zeit zum Rekombinieren haben.

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Eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Beide Anordnungen unterscheiden sich im wesentlichen nur dadurch, daß nunmehr der Steuerkreis an die Haupte&itterelektrode angeschlossen ist. Durch die für den positiven Steuerimpuls durchlässigen Dioden D₂ wird eine Entladung des Kondensators C über den Steuerkreis verhindert. Die Zahl der Dioden D₂ muß so bemessen sein, daß die Summe der Schwellspannungen (pro Diode ca. 0, 5 V) größer ist als die maximale Spannung am Kondensator C.

In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die zwischen Hilfsemitterelektrode und Hauptemitterelektrode liegende Stromquelle durch die Reihenschaltung einer Batterie 11 und eines Widerstandes FL gebildet ist. Der Hilfsthyristör wird hier also konstant vorgespannt. Die Vorspannung richtet sich nach der Verlustleistung, die im Hauptthyristor, symbolisiert durch den Widerstand R₂, entstehen darf. Nach oben ist die Spannung der Batterie 11 durch die Sperrspannung des pn-Übergangs zwischen dem Emitter 1 und der Basis 2 begrenzt, die bei üblichen SiIiciumthyristören bei etwa 20 V liegt. Die Wirksamkeit der Anordnung ist um so größer, je kleiner die Summe des Widerstandes R^ und des Querwiderstandes R₂ unter dem n-Emitter 1 ist. Die Spannung der Batterie kann beispielsweise -5 V betragen und der Wert des Widerstandes R₁ beispielsweise 0,5 0hm.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der auch der Hilfsthyristör konstant negativ vorgespannt wird. Zusätzlich zur Batterie 11 ist zwischen Hauptemitterelektrode 6 und Steuerelektrode 8 eine weitere Quelle konstanter Spannung, eine Batterie 12, eingeschaltet. Dabei muß die Spannung der Batterie 12 höher sein als die der Batterie 11. Eine Spannungsdifferenz von 0,5 V reicht aus. Die Batterie 11 kann beispielsweise in diesem Fall eine Spannung von -5 V und die Spannung der Batterie 12 -5,5 V betragen. Der Widerstand R^ im Halbleiterkörper zwisehen den Elektroden 6 und 8 ist im allgemeinen wesentlich größer als R₂. Deshalb wird man meist auf den strombegrenzenden Widerstand R, verzichten können.

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Die erzielte Verringerung der Freiwerde zeit beträgt bei den
Anordnungen nach Fig. 2 und 3 in der angegebenen Dimensionierung etwa 20 %. Bei den anderen Schaltungsanordnungen ergeben sich mit den angegebenen Spannungen und in der angegebenen
"5 Dimensionierung Freiwerdezeitverkürzungen von über 30 %. Dies reicht für viele Fälle aus, wenn der mit der bekannten Anordnung zur Herabsetzung der Freiwerdezeit verbundene elektronische Aufwand nicht .vertretbar erscheint.

Den Schaltungsanordnungen nach der Erfindung wird man immer
dann den Vorzug geben, wenn die Einfachheit der Schaltung gegenüber der maximal möglichen FreiwerdeZeitverkürzung im Vordergrund steht.

8 Patentansprüche
5 Figuren

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Leerseite

Claims

Pa t e η t an s ρ r ü ehe

f 1. \ Anordnung zum Herabsetzen der Freiv.^rerdezeit eines mit einer Hauptemitterelektrode und einer Steuerelektrode versehenen Thyristors, welcher einen den Stexierstrom verstärkenden Hilfsthyristör mit einer Hilfsemitterelektrode aufweist, mit einer mit dein Hi If sthyri stör verbundenen Sp annungs quelle, wölche einen Strom in'die Hilfsemitterelektrode einspeist, dessen Richtung der Richtung des Steuerstroms entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle dauernd zwischen Hauptemitterelektrode (6) und Hilfsemitterelektrode (7) liegt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle (11) mit im wesentlichen konstanter Spannung.
3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet

d u r c h einen mit der Spannungsquelle in Reihe liegenden Widerstand (R₁).
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsquelle aus der Reihenschaltung eines Kondensators (C) mit einem Widerstand (R₁) besteht, vrelchem eine Diode (D₁) parallelgeschaltet ist, und daß die Diode (D₁) so gepolt ist, daß der Kondensator durch einen bei der Kommutierung in Sperrichtung durch den Thyristor fließenden Strom (i_R) aufgeladen wird.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß Steuerelektrode (8) und Hilfsemitterelektrcde (7) über die Sekundärwicklung eines Übertrages (10) verbunden sind.

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70983 5/0300 ^iGlNAL INSPECTED
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hauptemitterelektrode (6) mit
der Steuerelektrode (8) über' wenigstens eine weitere Diode (Dp) verbunden ist, welche bezüglich des EntladeStroms des Kondensators (C) in Durchlaßrichtung gepolt ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) und der Widerstand (R,) so aufeinander abgestimmt sind, daß einerseits am Ende der Freiwerdezeit am Kondensator noch Spannung anliegt und daß andererseits

t = (R. +R₂)C ist, wobei t die Freiwerdezeit und R₂ der Querwiderstand unter dem Hauptemitter (1) ist.
8. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß zwischen Steuerelektrode
(8) und Hauptemitterelektrode eine weitere Spannungsquelle (12) mit in wesentlichen konstanter Spannung liegt, -welche größer als die Spannung der zwischen Hauptemitterelektrode (6) und Hilfsemitterelektrodo (7) liegenden Spannungsquelle (11) ist.

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7 0 9 b 3 b / U J CUi