DE9411601U1 - Strombegrenzender Schalter - Google Patents

Strombegrenzender Schalter

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Description

GR 93 G 3476 DE
Beschreibung
Strombegrenzender Schalter
Die Erfindung bezieht sich auf einen strombegrenzenden Schalter mit zumindest einem Halbleiterbereich mit Elektronenspender (Source), Elektronensammler (Drain) und den Elektronenfluß steuernder Elektrode (Gate), im einzelnen nach Gattungsbegriff von Anspruch 1.
Elektrische Anlagen müssen an ein Netz geschaltet, beziehungsweise vom Netz getrennt werden. Bei mechanischen Schaltern liegen optimierte Lösungen vor, die den technischen Anforderungen, beispielsweise bei Antrieben, Motorschutzschaltern und Leitungsschutzschaltern hinsichtlich Überlast/und Kurzschlußschutz in der Praxis genügen. Bei Schutzschaltgeräten allgemein, zu denen Leistungsschalter, Motorschutzschalter oder Leitungsschutzschalter gehören, ist es erwünscht, auftretende Überlastströme, insbesondere Kurzschlußströme rasch zu erfassen und sie auf kleine Werte zu begrenzen und schließlich abzuschalten. Nachteile der mechanischen Schutzschaltgeräte sind der Verschleiß der Kontakte, häufige Wartung und eine verhältnismäßig langsame Schaltzeit im Kurzschlußfall, sowie eine verhältnismäßig geringe zeitliehe Genauigkeit des Schaltzeitpunktes.
Halbleiterschalter können dagegen verschleißfrei arbeiten und schnell schalten ; sie haben geringe Schaltverluste und sie lassen sich variabel steuern. Nachteilig bei Halbleiterschaltern sind dagegen:
- hohe Kosten,
- hoher Platzbedarf und
- verhältnismäßig hohe Durchlaßverluste.
Allgemein gesehen ist es häufig wünschenswert, Wechselströme oder Gleichströme schnell auf bestimmte Werte zu begrenzen und schließlich abzuschalten.
• ·
GR 93 G 3476 DE
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vorteilhaften strombegrenzenden Schalter auf der Basis der Halbleitertechnik zu entwickeln, der in der Praxis ein günstiges Abschaltverhalten ermöglicht.
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Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt durch einen strombegrenzenden Schalter nach Anspruch 1. Bei flächig einander gegenüberliegenden Source-und Drain-Elektroden ist die Gate-Elektrode mittig zwischen diesen angeordnet und zumindest mit einem äußeren Anschluß versehen. Bei Fertigung aus Siliziumkarbid werden die Zielsetzungen in der Praxis günstig erfüllt, wobei der symmetrische Aufbau sowohl Wechselströme als auch Gleichströme unabhängig von der Polung zu begrenzen erlaubt und bei laufend weiter entsprechend geänderter Gate-Source-Spannung zu unterbrechen gestattet. Man erzielt beidseitig eine hohe Sperrfähigkeit bei entsprechend großflächigen Drain- und Source-Kontakten und einen niedrigen Durchlaßwiderstand bei andererseits hoher Sperrfähigkeit in Abhängigkeit von einer geeigneten Geometrie.
Bei gegebener Dicke L der Gate-Elektroden und gegebenem Abstand der Source-Drain-Strecke D erhöht sich die Strombegrenzung infolge eines Feldeinschnürungseffektes mit kleiner werdendem Abstand zwischen den Gate-Elektroden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Gate-Elektrode, die aus zusammenhängenden Inselbereichen oder aus einem Bereich mit Lochausnehmungen bestehen kann, einen Ringanschluß aufweist.
Der Halbleiterbereich kann in einem Mikrochip integriert ausgebildet sein oder als diskretes Bauelement. Er kann
Strukturmerkmale der Erstellung durch "Wafer-bonding" aufweisen. Derartige Merkmale werden durch ein entsprechendes an sich bekanntes Verfahren der "Wafer-bonding-Technik" erzielt .
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Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:
GR 93 G 3476 DE
In FIG 1 ist der strombegrenzende Schalter im Prinzip veranschaulicht .
In FIG 2 ist ein Arbeitsdiagramm des strombegrenzenden Schalters wiedergegeben.
In FIG 3 ist ein Ausführungsbeispiel für den Halbleiterbereich als Sektorausbruch aus einem ringförmigen Gebilde perspektifisch dargestellt.
Der strombegrenzende Schalter nach FIG 1 weist einen Halbleiterbereich 1 auf, der Elektronenspender (Source; 2), Elektronensammler (Drain; 3) und Gate-Elektroden 4 aufweist. Ein zu schützender Lastkreis oder ein zu schaltender Verbraucher kann zwischen Source-Elektrode 2 und Drain-Elektrode 3 angeschlossen werden. Durch geeignete Gate-Source-Spannungen,Uqs^ läßt sich der Drain-Source-Strom, Ids, ^e~ grenzen und bei weiter steigender Sperrspannung an der Gate-Elektrode in Kennlinienfeld nach FIG 2 in Richtung der Abszisse herunterfahren. Die Gate-Elektroden 4 sind mittig zwischen flächig gegenüberliegenden Source-Drain-Elektroden 2 bzw. 3 angeordnet. Die Gate-Elektroden 4 sind elektrisch zusammenhängend und weisen einen äußeren Anschluß, Elektrodenanschluß 4 nach FIG 1, auf. Es ist günstig, wenn die Gate-Elektroden 4 einen Ringanschluß aufweisen, wie es aus den FIGUREN 1 und 3 zu ersehen ist. In Abhängigkeit von der Geometrie, der Dicke L der Gate-Elektroden 4, des Abstandes d zwischen den Gate-Elektroden und der Source-Drain-Strecke D erzielt man mit relativ kleiner werdendem Abstand d infolge der Feldeinschnürung zunehmende Strombegrenzung. Beispielhaft kann der Halbleiterbereich folgende Werte aufweisen:
L = 2 um, d = 2 um und D = 18 um
Man erhält dann einen Arbeitsbereich für 23 0 V Normalbetrieb und eine Strombegrenzung bei Überspannungen, etwa bis 700 V,
GR 93 G 3476 DE
wenn der Halbleiterbereich auf der Basis von Siliziumkarbid hergestellt ist.
Im Diagramm nach FIG 2 ist auf der Abszisse die Drain-Source-Spannung U^g und auf der Ordinate der Drain-Source-Strom log abgetragen. Im Kennlinienfeld nach FIG 2 für Wechselspannung erhält man einen linearen Arbeitsbereich im ersten und dritten Quadranten und bei Gleichspannung einen linearen Arbeitsbereich in einem der Quadranten. Der lineare Arbeitsbereich entspricht dem sogenannten ON-Widerstand, Ron*· Der lineare Arbeitsbereich ist mit 9 bezeichnet. Für Gate-Source-Spannungen ergeben sich den Drain-Source-Strom begrenzende Kennlinien in etwa parallel zur Abszisse. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß der Halbleiterbereich ein &eegr;-Kanal aufweist und selbstsperrend ist. Durch eine geeignete Gate-Source-Spannung als Parameter im Kennlinienfeld kann ein gewünschter Drain-Source-Strom bei Überspannungen eingestellt, beziehungsweise begrenzt, werden. Man arbeitet dann in einem horizontalen Bereich im Kennlinienfeld bei konstantem I^g. Bei zu großen Oberspannungen würde in einem Endbereich schließlich ein Durchbruch zu wachsenden Drain-Source- Strömen bei konstanter Drain-Source-Spannung erreicht werden. Dimension!erung und Arbeitsbereich sind so zu wählen, daß dieser Endbereich nicht angelaufen werden kann. Im Ausführungsbeispiel nach FIG 3 ist perspektivisch ein herausgebrochener Sektor eines Halbleiterbereichs 1 wiedergegeben. Er ist mit Source-Elektrode 2 und Drain-Elektrode 3 abgeschlossen und weist eingebettete Gate-Elektroden 4 auf, die im Ausführungsbeispiel fingerartige Ausnehmungen aufweisen, so daß halbinselartige Bereiche für die Gate-Elektroden 4 entstehen. In einem äußeren Ring sind die Gate-Elektroden gemeinsam kontaktiert, da die einzelnen Gate-Elektroden im übrigen auch untereinander verbunden sind.

Claims (3)

GR 93 G 3476 DE 5 Schutzansprüche
1. Strombegrenzender Schalter mit zumindest einem Halbleiterbereich 1 mit Elektronenspender (Source; 2), Elektronensammler (Drain; 3) und den Elektronenfluß steuernder Elektrode (Gate; 4), wobei bei flächig einander gegenüberliegenden Source- und Drain-Elektroden (2; 3) die Gate-Elektrode (4) mittig zwischen diesen angeordnet ist und zumindest einen äußeren Anschluß aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich aus Siliziumkarbid (SiC) gebildet ist.
2. Schalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (4) einen Ringanschluß aufweist.
3. Schalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (1) Strukturmerkmale der Erstellung durch Wafer-bonding aufweist.
DE9411601U 1993-09-08 1994-07-18 Strombegrenzender Schalter Expired - Lifetime DE9411601U1 (de)

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