DE3345449C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper-Wechselspannungs relais der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.The invention relates to a solid-state AC voltage Relay of the type mentioned in the preamble of claim 1.
Bei einem bekannten Festkörper-Wechselspannungsrelais dieser Art (DE-OS 29 32 969) sind zwei antiparallel geschaltete Thyri storen jeweils mit einer zugehörigen Steuerschaltung und einer jeweils zugehörigen Leuchtdiode in einem gemeinsamen Halblei tergehäuse miteinander vereinigt, wobei die Leuchtdioden sowohl die Thyristoren als auch die Steuerschaltungen ansteuern, die Fototransistoren enthalten. Die Fototransistoren steuern ihrer seits die Basis-Emitterstrecke von bipolaren Steuertransistoren, deren Ausgangskreise mit dem Gate-Steuerkreis der Thyristoren verbunden sind, wobei die Steuerschaltungen so ausgebildet sind, daß bei fehlender Beleuchtung der Fototransistoren die Steuer transistoren durchgeschaltet sind und damit die Spannung des Gate-Steuerkreises der Thyristoren auf einem derartig niedrigen Wert festhalten, daß diese nicht zünden können. Mit dem Foto transistor ist ein weiterer Transistor verbunden, dessen Basis elektrode über einen Kondensator mit der zu steuernden Wechsel spannung beaufschlagt ist, und der bei Auftreten von Spannungs spitzen durchgeschaltet wird und den Fototransistor sperrt, so daß wiederum der Steuertransistor des Thyristors durchgeschaltet wird. Die Basiselektrode eines zusätzlichen Transistors ist über einen Spannungsteiler mit der Wechselspannung verbunden und bil det einen Nullspannungs-Schalter, wobei der Ausgangskreis dieses zusätzlichen Transistors ebenfalls mit dem Gate-Steuerkreis ver bunden ist und das Zünden lediglich bei unterhalb einer Fenster spannung liegenden Wechselspannungen ermöglicht. Die bekannte Steuerschaltung weist damit eine Vielzahl von Bauteilen auf, für die eine getrennte Betriebsspannung über eine Zenerdiode aus der Wechselspannung gewonnen wird, so daß der Spannungsabfall längs der Thyristoren relativ groß sein muß und das Festkörper- Wechselspannungsrelais damit eine hohe Verlustleistung aufweist. Die einzelnen Bauteile sind nur schwierig in Form einer einzigen integrierten Steuerschaltung, ggf. auch noch zusammen mit den Thyristoren herzustellen, so daß sich ein hoher Aufwand ergibt, insbesondere aufgrund der Mischung von Hochspannungs- und Hoch leistungsbauteilen mit Steuersignale führenden Bauteilen. Hier bei ist es weiterhin schwierig, die Vielzahl der für die Be triebsspannungsversorgung und die Spannungsteilerschaltungen be nötigten Widerstände in integrierter Form herzustellen. Anderer seits ist diese Vielzahl von Bauteilen und einzelnen Steuertran sistoren erforderlich, um einerseits ein Schalten lediglich beim Nulldurchgang sicherzustellen und andererseits um zu erreichen, daß bei Einschwingzuständen mit einem hohen Wert von dV/dt kein unerwünschtes Einschalten oder Abschalten erfolgt.In a known solid-state AC voltage relay of this type (DE-OS 29 32 969) are two antiparallel Thyri interfere each with an associated control circuit and an associated light emitting diode in a common semiconductor housing, the light emitting diodes both the thyristors and the control circuits control that contain photo transistors. The phototransistors in turn control the base-emitter path of bipolar control transistors, the output circuits of which are connected to the gate control circuit of the thyristors, the control circuits being designed in such a way that the control transistors are switched through when the phototransistors are not illuminated, and thus the voltage of the gate Hold the control circuit of the thyristors at such a low value that they cannot ignite. With the photo transistor, a further transistor is connected, the base electrode of which is acted upon by a capacitor with the AC voltage to be controlled, and which is switched on when voltage peaks occur and blocks the phototransistor, so that the control transistor of the thyristor is turned on. The base electrode of an additional transistor is connected to the AC voltage via a voltage divider and forms a zero voltage switch, the output circuit of this additional transistor also being connected to the gate control circuit and allowing ignition only at AC voltages below a window. The known control circuit thus has a large number of components for which a separate operating voltage is obtained from the AC voltage via a Zener diode, so that the voltage drop across the thyristors must be relatively large and the solid-state AC voltage relay thus has a high power loss. The individual components are difficult to manufacture in the form of a single integrated control circuit, possibly also together with the thyristors, so that there is a high outlay, in particular due to the mixture of high-voltage and high-power components with control signal-carrying components. Here, it is still difficult to manufacture the multitude of resistors required for the operating voltage supply and the voltage divider circuits in an integrated form. On the other hand, this large number of components and individual Steuertran sistors is necessary to ensure switching on the one hand only at the zero crossing and on the other hand to achieve that no settling or switching off occurs in transient conditions with a high value of dV / dt .
Es ist weiterhin ein Festkörper-Wechselspannungsrelais bekannt (US-PS 42 95 085), bei dem der Gate-Steuerkreis eines Thyristors durch einen Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp gesteuert wird. Auch hierbei wird sowohl der Feldeffekttransistor als auch der Thyristor durch Lichtstrahlung gesteuert, wobei weiterhin lichtempfindliche Dioden mit der Gate-Elektrode des Feldeffekt transistors verbunden sind. Wenn hierbei ein Schalten im Span nungsnulldurchgang und/oder ein Schutz gegen Spannungsspitzen erzielt werden soll, ist ebenfalls eine Vielzahl von zusätzli chen Bauteilen erforderlich, die nur schlecht in Form einer ein zigen integrierten Schaltung zu vereinigen sind.A solid-state AC voltage relay is also known (US-PS 42 95 085), in which the gate control circuit of a thyristor controlled by a depletion type field effect transistor becomes. Here too, both the field effect transistor and the thyristor controlled by light radiation, being continued Photosensitive diodes with the gate electrode of the field effect transistor are connected. If switching in the span voltage zero crossing and / or protection against voltage peaks is to be achieved is also a variety of additional Chen components required that are poor in the form of a umpteenth integrated circuit are to be united.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Festkörper-Wech selspannungsrelais der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfachem Aufbau und leichter Integrierbarkeit ein Einschal en lediglich beim Spannungsnulldurchgang und ein einwandfreies Schaltverhalten selbst bei Auftreten von Einschwingzuständen mit einem hohen Wert von dV/dt aufweist. The invention has for its object to provide a solid-state alternating voltage relay of the type mentioned, which, with a simple structure and easy to integrate, has to be switched on only when the voltage passes through zero and has a perfect switching behavior even when transient conditions occur with a high value of dV / dt .
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patent anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is accomplished by the in the characterizing part of the patent claims 1 specified features solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments of the invention result from the subclaims.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Festkörper-Wechsel spannungsrelais ist es möglich, einen einfachen Aufbau mit nur wenigen Bauteilen zu erzielen, wobei durch einen einzigen einem jeweiligen Thyristor zugeordneten MOS-Feldeffekttransistor mit zugehörigem kapazitivem Spannungsteiler ein Einschalten ledig lich beim Spannungsnulldurchgang und ein sicherer Schutz gegen Störspannungsspitzen mit hohem dV/dt-Wert erreicht wird. Sowohl die MOS-Feldeffekttransistoren als auch die Kondensatoren lassen sich mit Techniken in einem Halbleiterplättchen ausbilden, wie sie ohnehin zur Herstellung der Thyristoren erforderlich sind.Due to the inventive design of the solid-state alternating voltage relay, it is possible to achieve a simple structure with only a few components, with switching on only at zero voltage crossing and reliable protection against interference voltage peaks by means of a single MOS field-effect transistor associated with a respective thyristor with associated capacitive voltage divider is achieved with a high dV / dt value. Both the MOS field-effect transistors and the capacitors can be formed using techniques in a semiconductor die, as are required in any case for the production of the thyristors.
Durch das erfindungsgemäße Kurzschließen der Gate-Steuerkreise ist eine Verringerung der Empfindlichkeit der auf Beleuchtung ansprechenden Thyristoren nicht erforderlich, so daß eine einzi ge Leuchtdiode zur Ansteuerung von zwei Halbleiterplättchen aus reicht, deren jeweilige Thyristoren antiparallel geschaltet sind und die gleichzeitig die Steuerschaltungen einschließen. Die Steuerschaltung kann ein Einschalten selbst bei einer Be leuchtung der Oberfläche verhindern, wenn die Spannung längs des Festkörper-Wechselspannungsrelais einen Wert überschreitet, der größer als irgendein vorgegebener Fensterwert ist, oder wenn ei nen hohen Wert von dV/dt aufweisende Impulse längs des Wechsel spannungsrelais auftreten.By shorting the gate control circuits according to the invention, a reduction in the sensitivity of the thyristors responsive to lighting is not necessary, so that a single light-emitting diode is sufficient to drive two semiconductor chips, the respective thyristors of which are connected in anti-parallel and which at the same time include the control circuits. The control circuit can prevent turn-on even when the surface is illuminated when the voltage across the solid-state AC relay exceeds a value greater than any predetermined window value, or when pulses having a high value of dV / dt along the AC voltage relay occur.
Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich dadurch, daß einer der Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers durch die verteilte Kapazität des Steuertransistors gebildet sein kann.A particularly simple structure results from the fact that one of the capacitors of the capacitive voltage divider by the distributed capacitance of the control transistor can be formed.
Damit ist das Wechselspannungsrelais auch zum Schalten von stark induktiven Lasten geeignet. This means that the AC voltage relay is also strong for switching suitable for inductive loads.
Jeder der antiparallel geschalteten Thyristoren ist vorzugsweise auf einem getrennten Halbleiterplättchen in Form einer Anzahl von parallelgeschalteten Teil-Thyristoren mit jeweils zugehöri gen MOS-Feldeffekttransistoren ausgebildet, deren Gate-Elektro den miteinander und mit einem gemeinsamen kapazitiven Spannungs teiler und gegebenenfalls einer gemeinsamen Zener-Diode verbun den. Die Teil-Thyristoren sind auf dem Halbleiterplättchen vor zugsweise als laterale Thyristoren ausgebildet.Each of the anti-parallel thyristors is preferred on a separate semiconductor die in the form of a number of partial thyristors connected in parallel, each with associated gene MOS field effect transistors formed, their gate electro with each other and with a common capacitive voltage divider and optionally a common Zener diode the. The partial thyristors are on the semiconductor chip preferably designed as lateral thyristors.
Das zwei Halbleiterplättchen aufweisende Festkörper-Wechselspan nungsrelais ist in einem Gehäuse angeordnet, das ein wärmelei tendes, jedoch elektrisch isolierendes Substrat mit geeigneten leitenden Mustern oder Leiterbahnen aufweist, die die beiden Halbleiterplättchen sowie eine gemeinsame Leuchdiode aufnehmen. Das Gehäuse weist weiterhin eine Kunststoffkappe aus Strahlung reflektierendem Material auf, das das Licht von der Leuchtdiode auf die Halbleiterplättchen leitet.The solid-state chip with two semiconductor chips voltage relay is arranged in a housing that heats up tendes, but electrically insulating substrate with suitable conductive patterns or traces that the two Pick up semiconductor wafers and a common light emitting diode. The housing also has a plastic cap made of radiation reflective material on which the light from the light emitting diode conducts on the semiconductor wafers.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigtAn embodiment of the invention is described below of the drawings explained in more detail. In the drawing shows
Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Fest körper-Wechselspannungsrelais; Fig. 1 is a circuit diagram of an embodiment of the fixed body AC relay;
Fig. 2 eine Ausführungsform der Befestigung der beiden Halbleiterplättchen nach Fig. 1 sowie einer Leuchtdiode auf einem Keramiksubstrat; FIG. 2 shows an embodiment of the attachment of the two semiconductor chips according to FIG. 1 and a light-emitting diode on a ceramic substrate;
Fig. 3 eine Seitenansicht nach Fig. 2; Fig. 3 is a side view of Fig. 2;
Fig. 4 eine Ansicht der Baugruppe nach Fig. 2 mit einer Abdeckkappe, die die Leuchtdiode und die Halb leiterplättchen umschließt; Fig. 4 is a view of the assembly of Figure 2 with a cap that encloses the light emitting diode and the semi-conductor plate.
Fig. 5 eine Draufsicht auf Fig. 4; Fig. 5 is a top view of Fig. 4;
Fig. 6 ein ausführlicheres Schaltbild eines Halbleiter plättchens. Fig. 6 shows a more detailed circuit diagram of a semiconductor chip.
In Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Fest körper-Wechselspannungsrelais gezeigt. Das Relais nach Fig. 1 verwendet zwei identische Thyristoren 210, 211, die zueinander antiparallelgeschaltet sind und zwischen zwei Netzwechselspan nungs-Leistungsanschlüssen 212, 213 eingeschaltet sind.In Fig. 1, a circuit diagram of an embodiment of a solid-state AC relay is shown. The relay of FIG. 1 uses two identical thyristors 210, 211 , which are connected in anti-parallel to each other and are switched between two mains AC power connections 212, 213 .
Diese Thyristoren 210, 211 sind auf jeweiligen getrennten Halb leiterplättchen ausgebildet, wobei jedes Halbleiterplättchen mehrere parallel geschaltete Thyristoren und jeweilige mit in den Halbleiterplättchen ausgebildete MOS-Feldeffekttransistoren für jeden Thyristor aufweist. Diese Mehrzahl von Thyristoren mit zugehörigen MOS-Feldeffekttransistoren ist in Fig. 1 nur schema tisch in Form eines einzigen MOS-Feldeffekttransistors darge stellt, wobei jedoch die noch zu erläuternde Steuerschaltung mit den Spannungsteilern und der Zenererdiode für alle Thyristoren und MOS-Feldeffekttransistoren eines Halbleiterplättchens ge meinsam ist, wie dies aus Fig. 6 zu erkennen ist, die die Schal tung eines Halbleiterplättchens ausführlicher zeigt.These thyristors 210, 211 are formed on respective separate semiconductor chips, each semiconductor chip having a plurality of thyristors connected in parallel and each having MOS field-effect transistors formed in the semiconductor chips for each thyristor. This plurality of thyristors with associated MOS field effect transistors is shown in Fig. 1 only schematically in the form of a single MOS field effect transistor Darge, but the control circuit to be explained with the voltage dividers and the Zenerer diode for all thyristors and MOS field effect transistors of a semiconductor ge is common, as can be seen from Fig. 6, which shows the circuit device of a semiconductor chip in more detail.
Die Thyristoren weisen Gate-Steueranschlüsse 216, 217 auf. Das Thyristor-Halbleiterplättchen 210 weist auf seiner oberen Fläche ein Anoden-Elektrodenkissen 220 und ein Kathoden-Elektrodenkissen 221 auf, während das Halbleiter plättchen 211 ein identisches Anodenkissen 222 und ein Kathodenkissen 223 aufweist (Fig. 2). The thyristors have gate control connections 216, 217 . The thyristor semiconductor chip 210 has on its upper surface an anode electrode pad 220 and a cathode electrode pad 221 , while the semiconductor chip 211 has an identical anode pad 222 and a cathode pad 223 ( FIG. 2).
Die Thyristoren 210 und 211 sind elektrisch derart mit einander verbunden, daß die Anode 220 des einen Thyri stors mit der Kathode 223 des anderen Thyristors und die Anode 222 des einen Thyristors mit der Kathode 221 des anderen Thyristors verbunden ist. Entsprechend sind die Halbleiterbauteile in der in Fig. 1 gezeigten anti parallelen Beziehung miteinander verbunden.The thyristors 210 and 211 are electrically connected to one another in such a way that the anode 220 of one thyristor is connected to the cathode 223 of the other thyristor and the anode 222 of one thyristor is connected to the cathode 221 of the other thyristor. Accordingly, the semiconductor components are connected to one another in the anti-parallel relationship shown in FIG. 1.
Eine einzige Leuchtdiode 225, die ein übliches im Handel erhältliches Gallium-Aluminium-Arsenid-Bauteil mit An schlüssen 226 und 227 gemäß Fig. 1 sein kann, ist derart angeordnet, daß sie in der noch zu beschreibenden Weise die lichtempfindlichen Oberflächen der Halbleiterplätt chen 210 und 211 beleuchtet, um ein Einschalten der Halb leiterplättchen zu ermöglichen, sofern die anderen Schaltungsbedingungen passend sind. Zwischen dem Eingangskreis, der mit den Anschlüssen 226 und 227 ver bunden ist, und dem Wechselspannungsleistungskreis, der mit den Anschlüssen 212 und 213 verbunden ist, wird eine gute elektrische Isolation ausgebildet.A single light emitting diode 225 , which can be a conventional commercially available gallium aluminum arsenide component with connections 226 and 227 according to FIG. 1, is arranged in such a way that it photosensitive surfaces of the semiconductor plates 210 in the manner yet to be described and 211 illuminated to enable the semiconductor dies to turn on if the other circuit conditions are appropriate. Good electrical insulation is formed between the input circuit connected to terminals 226 and 227 and the AC power circuit connected to terminals 212 and 213 .
Identische Steuerschaltungen, wie sie anhand der Fig. 6 näher be schrieben werden, sind zur Steuerung des Einschaltens der Thyristoren 210 bzw. 211 vorgesehen und schließen jewei lige MOSFET-Transistoren 230 und 231, Zener-Dioden 232 und 233, Widerstände 234 und 235 und Kondensatoren 236 und 237 ein. Die Kondensatoren 236 und 237 dienen ähnlich wie die Kondensatoren 60 und 61 nach Fig. 6 als ein Bau teil von jeweiligen kapazitiven Spannungsteilern. Das zweite Bauteil der kapazitiven Spannungsteiler besteht aus der verteilten Kapazität 238 und 239 der MOSFET- Transistoren 230 bzw. 231.Identical control circuits, as will be described in more detail with reference to FIG. 6, are provided for controlling the switching on of the thyristors 210 and 211 and include respective MOSFET transistors 230 and 231 , Zener diodes 232 and 233 , resistors 234 and 235 and Capacitors 236 and 237 . The capacitors 236 and 237 serve similarly to the capacitors 60 and 61 according to FIG. 6 as a construction part of respective capacitive voltage dividers. The second component of the capacitive voltage divider consists of the distributed capacitance 238 and 239 of the MOSFET transistors 230 and 231, respectively.
Die Schaltungsbauteile 230 bis 239 könnten als diskrete Bauteile ausgeführt sein. Vorzugsweise sind jedoch diese Bauteile mit den Halbleiterplättchen, die die Thyristoren 210 und 211 bilden, integriert ausgeführt.The circuit components 230 to 239 could be designed as discrete components. However, these components are preferably designed to be integrated with the semiconductor chips which form the thyristors 210 and 211 .
Die Transistoren 230 und 231 sind mit den Gate-Elektroden 216 und 217 der Thyristoren 210 bzw. 211 verbunden. So lange die Transistoren 230 und 231 leiten oder durchge schaltet sind, kann die Beleuchtung der Oberflächen der Bauteile 210 und 211 durch die Leuchtdiode 225 das Bau teil nicht einschalten. Die Transistoren 230 und 231 schalten ein, wenn ihre jeweiligen Gate-Elektroden 240 und 241 in geeigneter Weise auf eine geeignete Schwell wertspannung V th aufgeladen sind. Entsprechend leiten, wenn die Knoten 242 und 243 die Einschalt-Schwellwert spannung der Transistoren 230 und 231 erreichen, und wenn eine ausreichende Drain-Source-Spannung vorhanden ist, die Bauteile und klemmen die jeweiligen Gate-Elektroden 216 und 217 der Thyristoren 210 und 211. Transistors 230 and 231 are connected to gate electrodes 216 and 217 of thyristors 210 and 211 , respectively. As long as the transistors 230 and 231 conduct or are switched through, the lighting of the surfaces of the components 210 and 211 by the light-emitting diode 225 cannot turn on the component. Transistors 230 and 231 turn on when their respective gate electrodes 240 and 241 are appropriately charged to an appropriate threshold voltage V th . Accordingly, when nodes 242 and 243 reach the turn-on threshold voltage of transistors 230 and 231 and when there is sufficient drain-source voltage, the devices conduct and clamp the respective gate electrodes 216 and 217 of thyristors 210 and 211 .
Die Spannung an jedem der Knoten 242 und 243, die mit V₀ bezeichnet wird, ist:The voltage at each of nodes 242 and 243 , designated V ₀, is:
V₀ = V cc C p /(C₁+C p ). V ₀ = V cc C p / ( C ₁ + C p ).
In dieser Gleichung ist V cc die Spannung längs der An schlüsse 212 und 213, C p die Kapazität der verteilten Kondensatoren 238 bzw. 239 und C₁ die Kapazität der Konden satoren 236 bzw. 237.In this equation, V cc is the voltage across connections 212 and 213 , C p is the capacitance of distributed capacitors 238 and 239, and C ₁ is the capacitance of capacitors 236 and 237 .
Aus dem vorstehenden ist zu erkennen, daß die Spannung V₀ an den Knoten 242 oder 243 größer als die Schwellwert spannung der Transistoren 230 und 231 ist, wenn die momentane Wechselspannung zwischen den Anschlüssen 212 und 213 positiver oder negativer ist als irgendein be stimmter "Fenster"-Wert. Entsprechend klemmen die Transi storen 230 und 231 die Thyristoren 210 und 211, wenn die se Fensterspannung überschritten ist. Diese Anordnung bildet dann einen Nullspannungsschalter, ohne daß ein Widerstand erforderlich ist, der sich zwischen den Hauptanschlüssen des Bauteils erstreckt.From the foregoing, it can be seen that the voltage V ₀ at nodes 242 or 243 is greater than the threshold voltage of transistors 230 and 231 when the instantaneous AC voltage between terminals 212 and 213 is more positive or negative than any particular "window""-Value. Correspondingly, the transistors 230 and 231 clamp the thyristors 210 and 211 when this window voltage is exceeded. This arrangement then forms a zero voltage switch without the need for a resistor which extends between the main terminals of the component.
Die kapazitive Spannungsteilerschaltung ist auch für die Unterdrückung des Zündens der Bauteile 210 und 211 aufgrund von schnell ansteigenden Impulsen nützlich, wie beispielsweise von Störimpulsspitzen oder von Signalen mit einem hohen dV/dt-Wert. Derartige hohe Störimpulse mit kurzer Dauer legen eine ausreichend hohe Spannung längs der parasitären oder Streu-Kapazitäten 238 und 239 an, damit die Transistoren 230 bzw. 231 einschal ten und den jeweiligen Thyristor klemmen. Entsprechend wird der Thyristor nicht aufgrund solcher schnell anstei gender Störimpulse gezündet.The capacitive voltage divider circuit is also useful for suppressing the firing of components 210 and 211 due to rapidly increasing pulses, such as spikes or signals with a high dV / dt value. Such high interference pulses with a short duration apply a sufficiently high voltage across the parasitic or stray capacitances 238 and 239 so that the transistors 230 and 231 switch on and clamp the respective thyristor. Accordingly, the thyristor is not ignited due to such rapidly increasing interference pulses.
Bei relativ langsam ansteigenden Impulsen, wie sie bei spielsweise durch stark induktive Lasten hervorgerufen werden, die mit den Relaisanschlüssen 212 und 213 verbun den sind, sind diese Impulse nicht ausreichend schnell, um die Steuertransistoren einzuschalten und damit in un erwünschter Weise die Thyristoren 210 und 211 zu klemmen, so daß ein Einzelphasenbetrieb oder ein Prellen des Relais bei stark induktiven Lasten vermieden wird. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß dies erreicht wird, ohne daß es erforderlich ist, die optische Empfindlich keit des Bauteils zu verringern. Die Thyristoren 210 und 211 können daher so ausgebildet werden, daß sie eine optimale optische Empfindlichkeit für den Zündvorgang aufweisen, ohne daß die Gefahr eines fehlerhaften Be triebs durch relativ langsam ansteigende vorübergehende Impulse besteht.In the case of relatively slowly rising pulses, such as those caused by strongly inductive loads, which are connected to the relay connections 212 and 213 , these pulses are not sufficiently fast to switch on the control transistors and thus undesirably the thyristors 210 and 211 to be clamped so that a single-phase operation or a bouncing of the relay is avoided with strongly inductive loads. It should also be noted that this is achieved without the need to reduce the optical sensitivity of the component. The thyristors 210 and 211 can therefore be designed so that they have an optimal optical sensitivity for the ignition process without the risk of erroneous operation due to relatively slow rising transient pulses.
Die Widerstände 234 und 235 dienen zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit der Einschaltemp findlichkeit des jeweiligen Thyristors. The resistors 234 and 235 serve to compensate for the temperature dependency of the sensitivity of the respective thyristor.
Anhand der Fig. 2 bis 5 wird im folgenden eine Anord nung zur Aufnahme der Halbleiterplättchen 210 und 211 und der Leuchtdiode 225 nach Fig. 1 beschrieben. In den Fig. 2 und 3 ist ein keramischer Substratträger 260 ge zeigt, der aus Aluminiumoxid bestehen kann, jedoch auch aus irgendeinem gewünschten elektrisch isolierenden ther misch leitenden Material bestehen kann. Beispielsweise kann die Aluminiumoxid-Platine 260 eine Stärke von 0,635 mm, eine Länge von ungefähr 22,9 mm und eine Breite von ungefähr 6,35 mm aufweisen. Eine Vielzahl von Leiter bahnmustern ist auf einer Oberfläche des Substrats 260 ausgebildet, und zwar unter Einschluß von Leiterbahnen 261 bis 267. Jede dieser Leiterbahnen kann durch eine Goldplattierung auf dem Substrat gebildet sein, wobei die Goldplattierung eine Stärke von mehr als ungefähr 0,00381 mm aufweist. Jedes der Thyristor-Halbleiterplätt chen 210 und 211 wird dann in geeigneter Weise auf lei tende Kissen 265 bzw. 264 aufgelötet oder auf andere Wei se befestigt, so daß die Leiterplättchen in guter thermi scher Berührung mit dem Aluminiumoxid-Substrat 260 ste hen. Jedes der Halbleiterplättchen 210 und 211 kann eine Größe von ungefähr 2,08 × 2,95 mm für ein Bauteil typi scher Größe aufweisen. Das Leuchtdioden-Halbleiterplätt chen 225 ist mit einem Ende auf dem Leiterbahnmuster 262 befestigt. An arrangement for receiving the semiconductor chips 210 and 211 and the light-emitting diode 225 according to FIG. 1 is described below with reference to FIGS . 2 to 5. In FIGS. 2 and 3, a ceramic substrate carrier is showing 260 ge, which may consist of alumina, but may also consist of any desired electrically insulating ther mixed conducting material. For example, the alumina board 260 may have a thickness of 0.635 mm, a length of approximately 22.9 mm and a width of approximately 6.35 mm. A plurality of conductor track patterns are formed on a surface of the substrate 260 including conductor tracks 261 to 267 . Each of these conductor tracks can be formed by a gold plating on the substrate, the gold plating having a thickness of more than approximately 0.00381 mm. Each of the thyristor semiconductor platelets 210 and 211 is then suitably soldered to conductive pads 265 and 264, respectively, or otherwise secured so that the circuit boards are in good thermal contact with the alumina substrate 260 . Each of the dies 210 and 211 can be approximately 2.08 x 2.95 mm in size for a typical size device. The light-emitting diode semiconductor plate 225 is attached at one end to the conductor pattern 262 .
Die Halbleiterplättchen 210 und 211 sind so befestigt, daß ihre Anoden- und Kathodenleitungen allgemein mitein ander und mit einem Ende der Leiterbahnen 266 und 267 ausgerichtet sind. Entsprechend wird ein einziger Draht 270 in bequemer Weise zur elektrischen Verbindung der leitenden Kissen 223 des Thyristors 211 und 220 des Thy ristors 210 und der Enden der Leiterbahn 267 verwendet. Dies kann mit Hilfe eines Heftverbindungsverfahrens von relativ einfacher Art erreicht werden, das sich aufgrund seiner Eigenart für automatische Hochgeschwindigkeits techniken eignet. Entsprechend wird ein Heftverbindungs kopf in einfacher Weise auf den Draht 270 niedergedrückt, um den Draht an drei mit Abstand voneinander angeordneten Punkten elektrisch zu befestigen, die der Lage der Kissen 223, 220 und dem Ende der Leiterbahn 267 entsprechen. In ähnlicher Weise wird ein zweiter paralleler Draht 271 durch eine Heftverbindung mit den leitenden Kissen 222, 221 und dem Ende der Leiterbahn 266 verbunden. Die Heft verbindung des Drahtes 271 ist in den Fig. 2 und 3 ge zeigt. Jeder leitende Draht 270 und 271 kann ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von ungefähr 0,15 mm sein.The die 210 and 211 are attached so that their anode and cathode lines are generally aligned with each other and with one end of the traces 266 and 267 . Accordingly, a single wire 270 is conveniently used to electrically connect the conductive pads 223 of the thyristors 211 and 220 of the thyristor 210 and the ends of the trace 267 . This can be achieved with the aid of a relatively simple type of binding method which, due to its nature, is suitable for automatic high-speed techniques. Accordingly, a tack head is simply pressed onto the wire 270 to electrically secure the wire at three spaced apart locations that correspond to the location of the pads 223, 220 and the end of the trace 267 . Similarly, a second parallel wire 271 is tacked to the conductive pads 222 , 221 and the end of the trace 266 . The booklet connection of the wire 271 is shown in FIGS. 2 and 3 ge. Each conductive wire 270 and 271 can be an aluminum wire approximately 0.15 mm in diameter.
Als Ergebnis dieser Verbindungen sind die Leistungsan schlüsse 212 und 213 mit den Thyristorbauteilen 210 und 211 in Fig. 2 in der in Fig. 1 gezeigten Weise verbun den, wobei die Thyristoren in anti-paralleler Beziehung zueinander geschaltet sind. Es sei bemerkt, daß, weil die Halbleiterplättchen 210 und 211 außerdem ihre jeweiligen Steuerschaltungen enthalten, die Steuerschaltungen damit ebenfalls an ihrer Stelle mit Hilfe dieses einzigen Heft verbindungsvorganges verbunden sind. As a result of these connections, the power connections 212 and 213 are connected to the thyristor components 210 and 211 in FIG. 2 in the manner shown in FIG. 1, the thyristors being connected in anti-parallel relation to one another. It should be noted that because the dies 210 and 211 also contain their respective control circuits, the control circuits are also connected in their place using this single link connection process.
Wie dies gezeigt ist, ist die Leuchtdiode 225 über einem Ende der Leiterbahn 262 angeordnet, die mit einem An schluß 226 verbunden ist. Die andere Elektrode der Leuchtdiode 225 ist elektrisch über einen Draht 280 mit einem Ende der Leiterbahn 261 verbunden. Der Draht 280, der eine Anschlußleitung der Leuchtdiode 225 sein kann, ist mit dem Ende der Leiterbahn 261 auf irgendeine ge wünschte Weise verbunden.As shown, the light emitting diode 225 is arranged over one end of the conductor track 262 , which is connected to a circuit 226 . The other electrode of the light emitting diode 225 is electrically connected to one end of the conductor track 261 via a wire 280 . The wire 280 , which may be a lead of the light emitting diode 225 , is connected to the end of the trace 261 in any desired manner.
Die Leiterbahn 261 ist dann elektrisch mit der mit Ab stand angeordneten Leiterbahn 263 entweder durch eine direkte Kurzschlußverbindung durch einen Draht 281 oder über einen Widerstand 282 verbunden. Die Auswahl des Kurzschlußdrahtes 281 oder des Widerstandes 282 hängt von der an den Anschlüssen 226 und 227 zur Verfügung stehen den Leistung und von der Charakteristik der Leuchtdiode 225 ab. Die Drähte 280 und 281 können Golddrähte mit einem Durchmesser von ungefähr 0,0254 mm sein. Es ist zu erkennen, daß die Anschlüsse 212, 213, 226 und 227 sich derart vom Umfang des Substrats 260 aus erstrecken, daß sie eine Halbleiterpackung vom Dual-in-line-Anschluß stift-Typ bilden.The conductor track 261 is then electrically connected to the conductor track 263 arranged with from either a direct short-circuit connection through a wire 281 or via a resistor 282 . The selection of the short-circuit wire 281 or the resistor 282 depends on the power available at the connections 226 and 227 and on the characteristic of the light-emitting diode 225 . The wires 280 and 281 can be gold wires approximately 0.0254 mm in diameter. It can be seen that the terminals 212, 213, 226 and 227 extend from the periphery of the substrate 260 such that they form a semiconductor package of the dual-in-line connector type.
Eine optische Kappe oder ein Gebäuse 291 wird dann über die Leuchtdiode 225 und die Thyristoren 210 und 211 auf gesetzt und umschließt den Bereich, der in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie 290 angedeutet ist. Diese Kappe ist in den Fig. 4 und 5 als Kappe 291 gezeigt und kann aus irgendeinem gewünschten reflektierenden Kunststoff material bestehen, das in der Lage ist, die Temperaturen auszuhalten, die während des Betriebs des Bauteils auf treten. Ein weiß eingefärbtes Kunststoffmaterial wurde verwendet. Das ausgewählte Kunststoffmaterial kann ein Disulfo-Kunststoff sein. Das Kunststoffmaterial ist vor zugsweise weiß, so daß Licht von den Innenoberflächen der Kappe reflektiert wird. Die Kappe kann auch aus einem ge eigneten Silicon-Material, wie beispielsweise RTV, beste hen, dem Titanoxid-Pulver zugemischt wurde. Das Titan oxid-Pulver bleibt in eindeutiger Weise in dem Silicon- Material in Dispersion. Diese Mischung kann in einem Ofen über ungefähr 15 min bei ungefähr 115° C ausgehärtet werden.An optical cap or a housing 291 is then put on via the light-emitting diode 225 and the thyristors 210 and 211 and encloses the area which is indicated in FIG. 2 by the dashed line 290 . This cap is shown in FIGS. 4 and 5 as cap 291 and can be made of any desired reflective plastic material that is able to withstand the temperatures that occur during operation of the component. A white colored plastic material was used. The plastic material selected can be a disulfo plastic. The plastic material is preferably white before, so that light is reflected from the inner surfaces of the cap. The cap can also be made of a suitable silicone material, such as RTV, to which titanium oxide powder has been mixed. The titanium oxide powder clearly remains in dispersion in the silicone material. This mixture can be cured in an oven at about 115 ° C for about 15 minutes.
Die Kappe 291 weist eine geneigte Seitenfläche 292 ober halb der Lage der Leuchtdiode 225 auf, wobei diese ge neigte Kante Licht in Richtung auf den Bereich der Halb leiterplättchen 210 und 211 reflektiert, wie dies in Fig. 4 zu erkennen ist.The cap 291 has an inclined side surface 292 above the position of the light-emitting diode 225 , this inclined edge reflecting light in the direction of the region of the semiconductor plates 210 and 211 , as can be seen in FIG. 4.
Die Kappe 291 kann an ihrem Platz festgeklebt werden, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, oder sie kann so ausgebildet sein, daß sie das Substrat überlappt und über die Kante des Substrats einrastet. Ein klares Silicon-Material wird dann in das Innere der Kappe 292 über die Füllbohrungen 293 und 294 nach den Fig. 4 und 5 eingeleitet, um alle Halbleiterplättchen 225, 210 und 211 sowie ihre Anschluß leitungen einzukapseln, während die Beleuchtung von der Leuchtdiode 225 die lichtempfindlichen Oberflächen der Thyristor-Halbleiterplättchen 210 und 211 erreichen kann.The cap 291 can be glued in place as shown in Fig. 4, or it can be designed to overlap the substrate and snap over the edge of the substrate. A clear silicone material is then introduced into the interior of the cap 292 via the fill bores 293 and 294 according to FIGS . 4 and 5 in order to encapsulate all the semiconductor chips 225, 210 and 211 and their connecting lines, while the lighting from the light emitting diode 225 can reach photosensitive surfaces of the thyristor semiconductor chips 210 and 211 .
Nachdem die Kappe 291 an ihrem Platz befestigt und mit Silicon gefüllt wurde, kann das gesamte Substrat 260 zu sammen mit der Kappe 291 in einem Anschlußrahmen befestigt werden, der die Anschlüsse 212, 213, 226 und 227 ergibt. Das Bauteil kann dann vollständig in einem angeformten Gehäuse angeordnet werden, das beispielsweise durch einen Übertragungs-Formvorgang oder dergleichen ge bildet werden kann. Die Anschlüsse 212, 213, 226 und 227 erstrecken sich von dieser Halbleiterpackung, um eine Dual-in-line-Halbleiterpackung mit relativ geringer Größe und geringem Volumen zu bilden. Das Bauteil kann dennoch eine dauernde Strombelastung von 1½ A oder mehr bei Spannungen von 240 V Wechselspannung aushalten.After the cap 291 is secured in place and filled with silicone, the entire substrate 260 can be secured together with the cap 291 in a lead frame which provides leads 212, 213, 226 and 227 . The component can then be arranged completely in a molded housing, which can be formed, for example, by a transfer molding process or the like. Terminals 212, 213, 226 and 227 extend from this semiconductor package to form a dual in-line semiconductor package of relatively small size and volume. The component can still withstand a constant current load of 1½ A or more at voltages of 240 V AC.
In Fig. 6 ist das Schaltbild eines Halbleiterplättchens ausführ licher dargestellt. Der erste Kondensator des Spannungsteilers ist zur einfachen Integrierbarkeit in Form von zwei parallel geschalteten Kondensatoren 60, 61 ausgebildet, während der zwei te Kondensator durch die verteilte Kapazität 75 der einzelnen MOS-Feldeffekttransistoren 76 bis 79 gebildet ist. Die ersten Kondensatoren 60, 61 sind zwischen den Anoden der Teil-Thyristo ren 64 a bis 64 d und den Gate-Elektroden der Steuer-MOS-Feld effekttransistoren 76 bis 79 eingeschaltet. Die Thyristoren 64 a bis 64 d sind parallelgeschaltet und weisen gemeinsame Kathoden und Anoden auf. In Fig. 6, the circuit diagram of a semiconductor wafer is shown Licher execution. The first capacitor of the voltage divider is designed for easy integration in the form of two capacitors 60, 61 connected in parallel, while the second capacitor is formed by the distributed capacitance 75 of the individual MOS field-effect transistors 76 to 79 . The first capacitors 60, 61 are between the anodes of the partial Thyristo ren 64 a to 64 d and the gate electrodes of the control MOS field effect transistors 76 to 79 . The thyristors 64 a to 64 d are connected in parallel and have common cathodes and anodes.
Mit dem Halbleiterplättchen nach Fig. 3 ist weiterhin integral und einstückig ein 100-K-Widerstand 70 ausgebil der, der aus Polysilizium gebildet ist und elektrisch zwischen den Kathoden und Gates jedes der Thyristoren 64 a, 64 b, 64 c und 64 d eingeschaltet ist.With the semiconductor wafer of FIG. 3 is further integrally and in one piece, a 100 K resistor 70 ausgebil formed of polysilicon of and electrically connected between the cathodes and gates of each of the thyristors 64 a, 64 b, 64 c and 64 is turned on d .
Weiterhin ist mit dem Halbleiterplättchen nach Fig. 6 zu sätzlich einstückig und integral eine Zener-Diode 71 aus gebildet, die in Serie mit den Kondensatoren 60 und 61 zwischen den Anoden- und Kathodenanschlüssen 51 und 50 der dargestellten Thyristoren eingeschaltet ist. Weiterhin ist in Fig. 6 die natürlich vorgegebene ver teilte Kapazität 75 gezeigt, die parallel zur Zener-Diode 71 liegt.Furthermore, with the semiconductor die of FIG. 6 made in one piece and to additionally integrally a Zener diode 71, which is switched in series with the capacitors 60 and 61 between the anode and cathode terminals 51 and 50 of the thyristors shown. Furthermore, in Fig. 6 the naturally predetermined ver divided capacitance 75 is shown, which is parallel to the Zener diode 71 .
Die Anzahl von Steuer-MOSFETs 76, 77, 78 und 79 gemäß Fig. 6 ist ebenfalls auf dem Halbleiterplättchen ausgebildet und wirken mit den Thyristoren 64 a, 64 b, 64 c bzw. 64 d zusammen. Jeder Steuer-MOSFET ist unmittelbar benachbart zu seinem jeweiligen Teil-Thyristor auf dem Halbleiterplättchen an geordnet, so daß Betriebsverzögerungszeiten begrenzt sind und die Symmetrie der Schaltung sichergestellt ist.The number of control MOSFETs 76, 77, 78 and 79 according to FIG. 6 is also formed on the semiconductor wafer and cooperate with the thyristors 64 a , 64 b , 64 c and 64 d . Each control MOSFET is arranged immediately adjacent to its respective partial thyristor on the semiconductor wafer, so that operating delay times are limited and the symmetry of the circuit is ensured.
Es sei bemerkt, daß, obwohl die hier be schriebene Ausführungsform vier parallele Thyristorele mente 64 a, 64 b, 64 c und 64 d verwendet, irgendeine ge wünschte Anzahl von Elementen verwendet werden könnte.It should be noted that although the embodiment described here uses four parallel thyristor elements 64 a , 64 b , 64 c and 64 d , any desired number of elements could be used.
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