DE3318607A1 - Festkoerper-relais - Google Patents

Festkoerper-relais

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DE3318607A1
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DE
Germany
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solid
light
state relay
circuit
thyristors
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Withdrawn
Application number
DE19833318607
Other languages
English (en)
Inventor
Bernd 6940 Weinheim Leukel
Arno Dipl.-Phys. Dr. 6831 Plankstadt Neidig
Peter Dr. Riedt-Neerach Roggwiller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEIDIG, ARNO, DIPL.-PHYS. DR., 6831 PLANKSTADT, DE
Original Assignee
Brown Boveri und Cie AG Germany
BBC Brown Boveri AG Germany
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
    • H03K17/79Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled controlling bipolar semiconductor switches with more than two PN-junctions, or more than three electrodes, or more than one electrode connected to the same conductivity region

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  • Electronic Switches (AREA)

Description

  • Festkört>er-Relais
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper-Relais nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Festkörper-Relais, in der Literatur auch als Halbleiterrelais bezeichnet, weisen eine galvanische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis auf, haben jedoch keine galvanische Trennung im Lastkreis, da die Last nieht mit Kontakten sondern durch gesteuerte Halbleiter gesteuert wird.
  • Solche Festkörper-Relais sind aus den DE-OSen 22 53 423 und 27 38 186 bekannt. Die dort beschriebenen Festkörper-Relais sind jedoch nur mit großem Aufwand herstellbar. Die Spannungsanstiegsfestigkeit liegt unter 500 V/s und die Relais sind nicht zuverlässig gegen kurzzeitiges Durchschalten beim Einschalten der Netzspannung gesichert. Sie sind daher nicht geeignet zum Ansteuern von Schützen. Außerdem sind die Relais aufgrund einer geringen Sperr£§higkeit nur für Netzspannungen bis zu 380 V geeignet.
  • Monolithische Ausführungen von Festkdrper-Relais oder von Teilen einer Festkörper-Relaisschaltung sind aus den DE OSen 30 00 890, 29 22 005 und EP-OS OO 17 980 bekannt. Diese Ausführungen sind jedoch nur für gering Schaltleistungen und Netzspannungen konzipiert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Festkörper-Relais anzugeben, die einen mechanisch und konstruktiv einfachen Aufbau haben, hohe du/dt-Festigkeit aufweisen und für Netzspannungen bis 500 V und Schaltströmen von mehreren Ampere geeignet sind.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Festkdrner-Relals gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
  • Die erflndungsgemEßé Lösung hat den Vorteil, daß im Lastkreis angeordnete licrt-zündbare Leistungsbauelemente relativ hoher Leistung ohne Zwischenschaltung eines Steuerkreises direkt angesteuert werden durch für die optische Kopplung von Steuer- und Lastkreis vorgesehene, lichtemittierende Dioden. Eine Nullpunktschaltung vermeidet Störungen durch große Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten beim Einschalten.
  • Vorteilhaft ist weiterhin ein in den Unteransprüchen angegebener Aufbau des FestkörDer-Relais als hybride Dickfilmschaltung.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend beschrieben.
  • Es zeigen: Fig. 1 Schaltung eines Festköper-Relais, Fig. 2 Draufsicht auf einen lichtzündbaren Thvristor des Festkörper-Relais, Fig. 3 Schnitt durch einen lichtzündbaren Thyristor, Fig. II erste Variante einer Kopplung einer lichtemittierenden Diode mit einem lichtzUndbaren Thyristor, Fig. 5 zweite Variante einer Kopplung von Diode und Thyristor, Fig. 6 Anwendung eines Festkörper-Relais als Ansteuerung für einen Steller größerer Leistung.
  • Fig. 1 zeigt die Schaltung eines erfindungsgemä.ßen Festkörper-Relais. Sie enthält einen Lastkreis und einen optisch damit gekoppelten Steuerkreis. Der Steuerkreis besteht aus einer Reihenschaltung zweier in Durehlaßrichtung gepolter lichtemittierender Dioden (LED) 2 und einer dazu parallelteschalteten und in Soerrichtung gepolten Schutzdiode 9. Der Eingang E des Steuerkreises ist mit den Anschlüssen der Schutzdiode 3 verbunden.
  • Im Lastkreis ist eine Antiparallelschaltung von zwei lichtzündbaren Thyristoren 1 angeordnet und mit dem Aus gang A verbunden. Der Gate-Anschluß der Thyristoren 1 ist jeweils Über einen Signaltransistor 4 mit der Kathode der Thyristoren 1 verbunden, wobei jeweils eine Verbindung zwischen dem Gate des Thyristors 1 und dem Kolm lektor des Transistors 4 sowie zwischen der Kathode des Thyristors 1 und dem Emitter des dea Transistors 4 besteht Parallel zum Ausgang A ist eine Reihenschaltung von einem ersten Spannungsteilerwiderstand 5, einem Basiswiderstand 6 und einem zweiten Spannungsteilerwiderstand 5 vorgesehen. Die Basis der Transistoren 4 ist jeweils an die Verbindungsleitung zwischen dem Basiswiderstand 6 und einem Spannungsteilerwiderstand 5 angeschlossen, so daß zwischen Basis und Emitter des Transistors 4 jeweils ein Spannungsteilerwiderstand 5 geschaltet ist.
  • Die lichtemittierenden Dioden 2 sind jeweils Über einer lichtempfindlichen Stelle der Thyristoren 1 angeordnet.
  • Wenn im Steuerkreis ein Steuerstrom fließt, emittieren die Dioden 2 Licht. Die Zündung der Thyristoren 1 erfolgt jedoch nur, wenn die Spannung am Ausgang A einen bestimmten Wert (z.B. 3V) unterschreitet. Der Spannungswert läßt sich durch die Widerstände 5 und 6 einstellen.
  • Solange dieser Spannungswert überschritten ist, führen die Signaltransistoren 4 einen Kurzschluß zwischen Gate und Kathode der Thyristoren 1 herbei. Mit dieser sogenannten Nullpunktschaltung wird erreieht, daß die ZÜndung der Thyristoren bei Spannungsnulldurchgang erfolgt, wodurch hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten vermieden werden.
  • Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Kathodenseite einer bevorzugten Ausführungsvariante des lichtzündbaren Thyristors 1. Dabei ist eine U-förmiqe Kathodenelektrode 10 innerhalb einer rahmenförmigen Gate-Elektrode 11 dargestellt. Die Gate-Elektrode 11 ragt mit einem Ansatz 12 in den freien Raum zwischen den U-Schenkeln der Kathode 10. Am Ende des Ansatzes 12 ist ein lichtempfindlicher Gate-Bereich 13 angeordnet. Dieser lichtempfindliche Gate-Bereich 13 kann auch zur Verbesserung der Zündempfindlichkeit etwas vertieft in den Siliziumkristall des Thyristors 1 geätzt sein. Außerhalb des Rahmens der Gate-Elektrode 11 schließt sich ein Passivierungsgraben 14 und ein Trenndiffusionsbereich 15 als rahmenförmige äußere Begrenzung an.
  • Die dargestellte Anordnung der beiden pn-tXbergänge nur auf einer Seite des Thyristors 1, nämlich der Kathodenseite, wird durch eine sogenannte Trenndiffusion an der Peripherie erreicht und erleichtert die Lötmontage der lichtzündbaren Thyristorplättchen 1 auf einem metalllsierten Keramiksubstrat.
  • In Fig. 3 ist ein. Schnitt durch die in Fig. 2 eingetragene Ebene A-A des Thyristors 1 dargestellt. Daraus sind ebenfalls auf der Kathodenseite die Kathoden-Elektrode 10, die Gate-Elektrode 11, der lichtempfindliche Gate-Bereich 13 und der glasbedeckte Passivierungsgraben 14 zu erkennen, sowie der Trenndiffusionsbereich 15 und auf der Unterseite des Thyristors 1 eine Anoden-Elektrode 16.
  • Die in Fig. 1 in der Schaltung dargestellten Bauelemente lassen sich in einer bekannten Dickfilm-Hybrid-Technik auf einem metallisierten Keramiksubstrat zusammenfassen.
  • Dazu werden die Thyristoren 1 (in der Form von gehäuselosen Thyristorplättchen wie in Fig. 3 dargestellt) zusammen mit den Signaltransistoren 4 auf ein bereits mit einer Metallisierung und aufgedruckten Widerständen 5 und 6 vorgesehenes Dickfilmsubstrat, z.B. durch Reflow-Löten aufgelötet. Anschließend werden zwischen Kathoden- und Gate-Elektroden 10, 11 der Thyristoren 1 und den entsprechenden Anschlußpunkten auf dem Keramiksubstrat elektrische Verbindungen, z.B. durch Ultraschall-Bonden von Aluminiumdraht hergestellt. Andere Verfahren, wie Lötverbindungen oder Thermokompressionsbonden sind ebenfalls je nach Kontaktmetallisierung anwendbar. Für die Montage der lichtemittierenden Dioden 2 bzw. deren optische Kopplung mit den Thyristoren 1 werden in den Fig. 4 und 5 zwei Alternativen dargestellt.
  • Fig. 4 zeigt eine Anordnung eines Thyristors 1 auf einem Keramiksubstrat 22, wobei eine lichtemittierende Diode 2 mit ihrer Lichtaustrittseite nach unten Über den lichtempfindlichen Gate-Bereich 13 des Thyristors 1 montiert ist. Da der lichtempfindliche Gate-Bereich 13 einen Durchmesser von etwa 1mm hat, sind die Anforderungen an die Justiergenauigkeit nicht sehr hoch, so daR die Montage von Hand erfolgen kann. Es empfiehlt sich vor der Montage auf den lichtempfindlichen Gate-Bereich 13 einen Tropfen einer gut haftenden Silikonmasse 17 mit thixotropen Eigenschaften aufzubringen. Die Silikonmasse 17 muR für das von der Diode 2 emittierte Infrarotlicht 18 durchlässig sein. Die Anschlußdrähte 19 (dargestellt ist einer der Drähte) der Diode 2 sind mit Hilfe von Lot 20 mit den entsprechenden metallisierten Flächen 21 des Keramiksubstrats 22 verbunden.
  • Fig. 5 zeigt eine andere Möglichkeit der Kopplung der Diode 2 mit dem Thyristor 1. Dabei ist wie bei Fig. 4 ein Thyristor 1 auf Keramiksubstrat 22 gelötet. Die Diode 2 ist mit ihrer Lichtaustrittsöffnung nach oben ebenfalls auf das Keramiksubstrat 22 gelötet. Die Verbindung zwischen der Lichtaustrittsöffnung der Diode 2 und dem lichtempfindlichen Gate-Bereich 13 des Thyristors 1 ist durch einen Lichtleiter 23 hergestellt, der mit einer Silikonmasse 17 fixiert ist.
  • Die Kapselung eines solchen in Dickfilm-Hvbridtechnik realisierten Festkörper-Relais kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zum Belspiel kann die Kapselung als Berührungsschutz durch Tauchen in einer lichtundurchlässigen Kunststoffmasse erfolgen (Wirbelsintern). Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein als hybride Dickfilmschaltung hergestelltes Festkörper-Relais in ein Gehäuse so einzusetzen, daß die Keramikseite die äußere Bodenfläche des Gehäuses bildet. Das Gehäuse wird mit einer geeigneten Kunststoffmasse gefüllt. Das so entstandene quaderförmige Festkörper-Relais kann mittels einer Stahispange mit der Keramikseite nach unten auf einen Kühlkörper montiert werden, so daR eine gute Verlustwärmeabfuhr gegeben ist.
  • Das Festkörper-Relais in Dickfilmtechnik kann auch als Ansteuerung für Leistungsbauelemente größerer Leistung verwendet werden, wie in Siemens Components 19 (1981), Heft 2, Seite 52 bis 56 beschrieben. Fig. 6 zeigt eine mögliche Lösung für eine solche Anwendung. Dabei sind In einem Gehäuse 24 unten die Leistungsbauelemente 25 eines Stellers größerer Leistung eingesetzt und darÜber ist eine hybride Dickfilmschaltung 26 als Ansteuerung angeordnet. Dabei sind alle für die Stellerschaltung außer den Leistungsbauelementen 25 benötigten Bauelemente zusammen mit den Elementen des Festkörper-Relais auf einem gemeinsamen Substrat der hybriden Dickfilmschaltung 26 untergebracht.

Claims (8)

  1. A n s p r ü c h e 1. Festkörper-Relais mit einer optischen Signal Übertragung zwischen einem Steuerkreis und einem Lastkreis, dadurch gekennzeichnet4 daß die optische Signal-Übertragung direkt auf mindestens einen lichtzUndbaren Leistungshalbleiter im Lastkreis erfolgt.
  2. 2. Festkörper-Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Signalübertragung auf zwei lichtzündbare Thyristoren (1) in Antiparalleischaltung erfolgt.
  3. 3. Festkörper-Relais nach Anspruch 1 und 29 dadurch gekennzeichnet, daß eine Null@unktschaltung vorgesehen ist, wobei jeweils Gate und Kathode des Thyristors (1) durch einen Transistor (4) kurzgeschlossen werden, wenn die Netzspannung einen unteren Grenzwert Überschreitet.
  4. Ii. Festkörper-Relals nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Thyristoren (1) vorgesehen sind, die so aufgebaut sind, daß Gate-und Kathoden-Elektroden (10,11) auf einer Seite des auf einem quadratischen SillziumplEttehen aufgebauten Thyristops (1) angeordnet sind, wobei jeweils die zusammenhängende U-fdrmige Fläche der Kathoden-Elektrode (10) vollständig von der Gate-Elektrode (11) umschlossen ist und die rahmenförmige Gate-Elektrode (11) einen Ansatz (12) aufweist, der zu einem etwa in der Mitte der ChiDo fläche innerhalb der U-förmigen Kathoden-Elektrode (1) liegenden lichtempfindlichen Gate-Bereich (13) fÜhrt
  5. 5. Festkörper-Relais nach mindestens einem der AnsprÜche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als hybride Dickfilmschaltung ausgeführt ist
  6. 6. Festkörper-Relais nach mindestens ein der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Dioden (2) jeweils mit ihrer Lichtaustrittsseite nach unten direkt über dem liehtemofindlichen Gate-Bereich (13) der Thyristoren (1) montiert sind.
  7. 7. Festkörper-Relais nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Dioden (2) jeweils durch einen Lichtleiter (23) mit dem lichtempfindlichen Gate-Bereich (13) der Thyristoren (1) gekoppelt sind.
  8. 8. Festkörper-Relais nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Ansteuerung von Leistungsbauelementen (25) größerer Leistung, wobei die außer den Leistungsbauelementen (25) benötigten sonstigen Bauelementen einer Stellerschaltung mit den Bauelementen des Festkörper-Relais auf einem gemeinsamen Substrat einer hybriden Dickfilmschaltung (26) angeordnet sind und diese Dickfilmschaltung (26) zusammen mit den Leistungsbauelementen (25) in einem gemeinsamen Gehäuse (24) untergebracht ist.
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