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PATENTANSPRÜCHE
1. Halbleiterschalter mit einem eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter aufweisenden Transistor und einem eine
Steuerelektrode, eine Anode und eine Kathode aufweisenden Thyristor, der über Anode und Kathode zwischen Kollektor und Basis des Transistors geschaltet ist, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (8) zur Beaufschlagung der Basis des
Transistors (1) mit einem zur Löschung des Thyristors (6) füh renden Durchlass-Basisstromimpuls mit Durchlasspolarität in
Bezug auf die Basis.
2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche mit der Steuerelektrode des Thyristors (6) verbundene Steuereinrichtung (7) zur Beaufschlagung des Thyristors (6) mit einem die Löschung des Thyristors (6) unter- stützenden Steuerelektrodenstrom.
3. Halbleiterschalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Diode (9), wobei die Anode der Diode (9) mit der
Kathode des Thyristors (6) verbunden ist, und wobei die
Kathode der Diode (9) mit der Anode des Thyristors (6) verbun den ist
4. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (1) und der Thyri stor (6) einstückig in einer gemeinsamen Halbleiterscheibe ausgebildet sind.
5. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Impuls transformator (10, 11), wobei die erste Steuereinrichtung (7) über den ersten Impulstransformator (10) mit der Steuerelektrode (G) des Thyristors (6) verbunden ist, und wobei die zweite Steuereinrichtung (8), über den zweiten Impulstransformator (11) mit der Basis des Transistors (1) verbunden ist (Fig. 5).
6. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (105) der Steuerelektrode und der Kontakt (104) der Kathode des Thyristors (6) ein miteinander verzahntes Muster aufweisen (Fig. 7b).
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter mit einem eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter aufweisenden Transistor und einem eine Steuerelektrode, eine Anode und eine Kathode aufweisenden Thyristor, der über Anode und Kathode zwischen Kollektor und Basis des Transistors geschaltetist.
Halbleiterschalter gemäss den Fig. l(a) und l(b) sind bekannt. Fig. l(a) zeigt eine Schaltung eines Darlington-Transistorschalters, welcher einen Haupttransistor 1, einen Hilfstransistor 2 zwischen Kollektor und Basis des Haupttransistors 1 und eine Steuereinrichtung 3 zur Steuerung des Basisstroms des Hilfstransistors 2 umfasst. Fig. l(b) zeigt einen anderen Halbleiterschalter mit einem Haupttransistor 1, einem über die Steuerelektrode löschbaren Thyristor 4 zwischen Kollektor und Basis des Haupttransistors 1, wobei zum Zünden des Thyristors 4 der Steuerelektrode G ein Impuls (oder ein kontinuierlicher Strom) in Durchlassrichtung zugeführt wird, und wobei zum Löschen des Thyristors 4 der Steuerelektrode G ein Impuls in Sperrichtung zugeführt wird.
Bei der Schaltung gemäss Fig. l(a) ist es erforderlich, während der EIN-Periode fortwährend einen ausreichenden Basisstrom zuzuführen. Darüber hinaus ist ein steiler Anstieg der Kollektorspannung in einen Überstrombereich unvermeidlich, so dass die Kapazität der Schaltung gegen Spannungsspitzen gering ist. Bei der Schaltung gemäss Fig. l(b) nimmt der Spannungsabfall über den Thyristor 4 in einem Überstrombereich nicht stark zu und somit kommt es auch nicht zu einem starken Anstieg der Kollektorspannung des Haupttransistors 1. Diese Schaltung hat daher eine grosse Kapazität gegen Spannungsspitzen.
Bei dieser Schaltung bestehen jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich des Löschens des Thyristors 4, welches eine verwickelte Steuerelektrodenstruktur des Thyristors erfordert Daher ist der Spannungsabfall über den Thyristor 4 gross, und der Kollektorspannungsabfall über den Haupttransistor 1 steigt entsprechend. Die vorliegende Erfindung befasst sich in erster Linie mit dem Problem, die Löschzeit des Thyristors 4, welcher die Basis des Haupttransistors 1 treibt, zu senken.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiterschalter mit einem Transistor und einem zwischen Kollektor und Basis des Transistors geschalteten Thyristor zu schaffen, bei dem der Thyristor auf einfache Weise durch Beaufschlagung der Basis des Transistors mit einem Impulsstrom gelöscht werden kann. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterschalter zu schaffen, welcher mit gewünschter Löschcharakteristik betreibbar ist, wozu die Steuerelektrode des Thyristors mit einer Sperrspannung beaufschlagt wird. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterschalter mit einem Thyristor und einer Diode oder einer Diodenschaltung umgekehrt parallel zum Thyristor zu schaffen, wobei die Speicherzeit (Freiwerdezeit) herabgesetzt ist und somit die Gesamtlöschzeit verringert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Halbleiterschalter mit einem eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter aufweisenden Transistor und einem eine Steuerelektrode, eine Anode und eine Kathode aufweisenden Thyristor, der über Anode und Kathode zwischen Kollektor und Basis des Transistors geschaltet ist, gelöst, welcher gekennzeichnet ist durch eine Steuereinrichtung zur Beaufschlagung der Basis des Transistors mit einem zur Löschung des Thyristors führenden Durchlass-Basisstromimpuls mit Durchlasspolarität in Bezug auf die Basis.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. l(a) und (b) Schaltungen herkömmlicher Halbleiterschalter;
Fig. 2(a) und (b) Schaltungen zweier Ausführungsformen des erfindungsgemässen Halbleiterschalters;
Fig. 3 und 4 Wellenformdiagramme zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Schaltungen gemäss Fig. 2;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Halbleiterschalters und
Fig. 6 bis 8 weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Halbleiterschalters.
Fig. 2(a) und 2(b) zeigen Schaltungen des erfindungsgemässen Halbleiterschalters mit einem Hilfsthyristor 6, z. B. einem Thyristor, welcher nicht über die Steuerelektrode gelöscht werden kann, einen Thyristor dessen Steuerelektrode in Sperrrichtung beaufschlagt werden kann oder einen Thyristor, der über die Steuerelektrode gelöscht werden kann. Die Schaltungen umfassen ferner eine erste Steuereinrichtung 7 zur Zufuhr eines Steuerstroms ig zum Hilfsthyristor 6 und eine zweite Steuereinrichtung 8 zur Zufuhr eines Impulsbasisstroms iB zum Haupttransistor 1.
Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser Schaltungen anhand der Fig. 3 und 4 erläutert werden. Gemäss Fig. 2(a) führt die erste Steuereinrichtung 7 dem Hilfsthyristor 6 einen Steuerimpulsstrom ig zu, welcher durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist oder einen kontinuierlichen Steuerstrom ig, welcher in Fig. 3(b) durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, um den Haupttransistor einzuschalten. Dieser Betrieb bewirkt einen ständigen Basisstrom IE(ON) gemäss Fig. 3(d) während der Periode tt3. Dieser Basisstrom ist Teil eines Stroms, welcher über die Schalteranschlüsse X und Y fliesst und durch den Thyristor 6 nebengeschlossen ist.
Die Kollektorspannung VCE(ON) des Haupttransistors 1 wäh- rend der Zeit der gleichförmigen Einschaltung t13 ist die
Summe des Basis-Emitter-Spannungsabfalls VBE(ON) des Haupttransistors 1 und des Anoden-Kathoden-Spannungsabfalls VAK(ON) des Thyristors 6 gemäss den Wellenformen e und f der Fig.3.
Beim Löschen des Schalters zum Zeitpunkt t3 wird dem Haupttransistor 1 von der zweiten Steuereinrichtung 8 ein Impulsbasisstrom ist gemäss Fig. 3(c) zugeführt. Während der Periode tR (= t34) des Basisstroms iBI ist der Basis-Emitter-Spannungsabfall VBE erhöht, und es fliesst ein Impuls-Basisstrom iB', welcher grösser ist als IB(ON), SO SO dass die Kollektor-Emitter- Spannung VCE herabgesetzt ist.
Demzufolge ist die Anoden Kathodenspannung VAK des Hilfsthyristors 6 herabgesetzt und wird eventuell invertiert, da VAK I VCE - VBE gilt Daher wird bei einem genügend grossen Impulsbasisstrom iB die Kollektor Emitter-Spannung VCE nahezu ebensogross wie oder kleiner als die Basis-Emitter-Spannung VBE, d. h. die Anoden-Kathoden Spannung VAK ist nahezu gleich oder kleiner als Null (VAK =0).
Während einer bestimmten Zeitdauer nach Wegnahme des Impulsbasisstroms iB' steigt die Kollektor-Emitter-Spannung VCE nicht rasch an. Zum Zeitpunkt ts, nach der Freiwerdezeit oder Speicherzeit t45 steigt die Kollektor-Emitter-Spannung VCE an, so dass der Löschvorgang beendet wird. Somit wird die Blockierfähigkeit des Hilfsthyristors 6 in Durchlassrichtung während der Zeitdauer t34 der Zufuhr des Impulsbasisstroms und während der Speicherzeitdauer t45 wieder hergestellt.
Wie beschrieben wird auf diese Weise dem Haupttransistor über den Thyristor ständig Basisstrom zugeführt und somit kann es sich bei dem Zündsignal oder Einschaltsteuersignal um einen die Steuerelektrode des Thyristors beaufschlagenden Impuls handeln. Für das Löschen des Haupttransistors ist es lediglich erforderlich, dem Haupttransistor 1 den Impulsbasisstrom iBw während einer bestimmten Zeitdauer zuzuführen.
Während dieses Vorgangs wird der Thyristorstrom unterhalb des Haltestroms gehalten, oder die Steuerelektrode des Thyri stors wird in Sperrichtung beaufschlagt, so dass der Thyristor rasch gelöscht werden kann. Wenn der Impulsbasisstrom iB gross genug ist, so wird der Thyristor 6 in Sperrichtung beaufschlagt. Dies hat zum Ergebnis, dass ein Teil (ir des Impulsbasisstroms iB über die Kollektor-Emitter-Schaltung des Transistors verläuft, und zwar in Sperrichtung über den Thyristor 6 und somit als Strom ir dient, welcher den Thyristor 6 wieder herstellt. Bei dieser Schaltung muss der Hilfsthyristor 6 nicht notwendigerweise ein über die Steuerelektrode löschbarer Thyristor sein.
Fig. 4 zeigt Wellenformen zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Löschens des Thyristors 6 durch Beaufschlagung seiner Steuerelektrode in Sperrichtung. Die Wellenformen (b) oder (c) zeigen die Sperrspannung Vgk bzw. den Sperrsteuerelektrodenstrom -i,. Durch diese Beaufschlagung in Sperrichtung ist die Zeitdauer für die Wiederherstellung der Durchlassblockierkapazität des Thyristors herabgesetzt, so dass die Gesamtzeit der Löschung herabgesetzt ist.
Der Basissperrstrom -iB kann während der Zeitdauer t4-t5 anliegen, während der Transistor ausgeschaltet ist. Hierdurch wird es ermöglicht, die Speicherzeit herabzusetzen und deren Änderung zu minimieren und somit die Gesamtlöschzeit zu verkürzen.
Wenn ein Thyristor 6 vom Typ des über die Steuerelektrode löschbaren Thyristors verwendet wird, so wird der Thyristor-Anodenstrom 1AK(OFF) welcher aufgrund der Steuerung der Steuerelektrode beim Löschen fliesst oder unmittelbar vor dem Anstieg der Spannung in Durchlassrichtung, kleiner als der gleichförmige oder beständige Basisstrom 1B(ON > , d. h.
IAK(OFF) = IB(ON)iB . Somit wird der Löschanodenstrom, welcher im wesentlichen für das Löschen des Thyristors verantwortlich ist, herabgesetzt. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Schalter gemäss Fig. l(b) kann somit der erfindungsgemässe Schalter einen grossen Strom abschalten, wenn ein über die Steuerelektrode löschbarer Thyristor unter den gleichen Bedingungen der Beaufschlagung der Steuerelektrode in Sperrichtung verwendet wird.
Man kann bei den Fig. 2(a) und 2(b) annehmen, dass eine Diode 9 dem Thyristor 6 umgekehrt parallel geschaltet wird, wie dies durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, und dass ein Impulsbasisstrom iB' zugeführt wird, um den Thyristor 6 zu löschen. In diesem Falle wird die Diode 9 leitend, wenn die Spannung (VBE-VCE) die Schwellenspannung der Diode 9 übersteigt. Genauer gesprochen wird der Impulsbasisstrom iB' durch die Diode 9 nebengeschlossen, wenn der Thyristor 6 geringfügig in Sperrichtung beaufschlagt wird. Dies verhindert, dass die Kollektorspannung VCE übermässig gesenkt wird und dass ein übermässiger Impulsbasisstrom zugeführt wird. Demzufolge kann die Transistorspeicherzeit t4s nach der Wegnahme des Impulsbasisstroms herabgesetzt werden.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Halbleiterschalters mit einer aus drei Schichten bestehenden Transistorregion NC-PBB-NEE und einer aus vier Schichten bestehenden Thyristorregion PE-NB PBG-NEK. Die beiden Regionen sind einstückig in einer Halbleiterscheibe ausgebildet. Die Kollektorschicht Nc und die Anodenschicht PE sind durch einen ersten Kontakt 101 überbrückt, welcher als gemeinsamer Anoden-Kollektor-Anschluss AC dient. Ein vierter Kontakt 104, welcher mit der Kathodenschicht NEK in Verbindung steht, ist mit einem dritten Kontakt 103, welcher mit der Basisschicht PBB in Verbindung steht, verbunden und dient als gemeinsamer Kathoden-Basis-Anschluss KB. Die Emitterschicht NEE steht in Berührung mit einem zweiten Kontakt 102, welcher als Emitteranschluss E dient.
Die Steuerelektrodenschicht PBG steht in Berührung mit einem fünften Kontakt 105, welcher als Steuerelektrode G dient. Der Übergang zwischen der Thyristorbasisschicht NB und der Steuerelektrodenschicht PBG und der Übergang zwischen der Transistorkollektorschicht Nc und der Basisschicht PBB liegen auf gleicher Höhe.
Gemäss Fig. 5 wird ein Impulsbasisstrom iB' von einer zweiten Steuereinrichtung 8' über einen Impulstransformator 11 zugeführt und ein Sperrsteuerelektrodenstrom -i0 wird dem Halbleiterschalter zugeführt. Diese Schaltung umfasst Dioden 12, 14 und Schaltungselemente 13, 15 und 17, z. B. Widerstände.
Fig. 6 bis 8 zeigen Ausführungsformen der Integrierung des Transistors (1) und des Thyristors (6) der Ausführungsform gemäss den Fig. 2(a) und (b) in einer gemeinsamen Halbleiterscheibe. Die Fig. 6(a) zeigt einen Schnitt entlang der Linie H-H der Fig. 6(b), welche ein Kontaktmuster auf der Unterseite des Halbleiterschalters zeigt. Der Thyristor ist durch die vier Halbleiterschichten PE, NB, PBG und NEK gebildet. Der Transistor ist durch die drei Halbleiterschichten Nc, PBB und NEK gebildet.
Die Steuereinrichtung 7,8 der Fig. 2(a) und (b) ist mit den in Fig. 6 gezeigten Elektroden verbunden, und zwar mit der Steuerelektrode G (105) des Thyristors und der Emitterelektrode E (102) des Transistors und mit der gemeinsamen Elektrode KB für die Kathode (104) des Thyristors und die Basis (103) des Transistors. Zu diesem Zwecke sind die Kontakte 103 und 104 miteinander verbunden. Die Zwischenregion P5, Z. B.
PBS zwischen der Thyristorregion und der Transistorregion steht in Verbindung mit dem vierten Kontakt zum Kurzschluss derselben. Diese Anordnung dient dazu, den Transistorstrom in der Region PBS zu halten und somit diesen Transistorstrom daran zu hindern, in die Thyristorregion zu fliessen derart, dass der Thyristor daran gehindert wird, wieder zu zünden, wenn er zur Durchführung des Löschvorgangs betrieben wird. Die Vereinigung des dritten und vierten Kontakts vereinfacht die Gesamtkonstruktion der Vorrichtung. Die Schichten PBS und Nc dienen als eine Diode 9, welche dem Thyristorbereich umgekehrt parallel geschaltet ist.
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei der dritte Kontakt und der vierte Kontakt getrennt ausgebildet sind, und wobei die Zwischenbereichsschicht PBS und der zweite Kontakt 102 kurzgeschlossen sind.
Mit dieser Anordnung wird die Trennung des Transistorteils vom Thyristorteil verbessert, und die Löschcharakteristik des Thyristors wird demgemäss verbessert. Bei dieser Anordnung ist die Trennbereichsschicht PBS mit dem Emitter E kurzgeschlossen, so dass kein Transistorstrom in die Region der Schicht PBS gelangt und somit die Diffusion des Transistorstroms in den Thyristorteil minimiert ist. Der dritte Kontakt 103 und der vierte Kontakt 104 sind durch einen Schaltdraht 110 miteinander verbunden.
Bei der Aussführungsform gemäss Fig. 8 ist im mittleren Bereich des Halbleiterschalters ein Hilfsthyristor mit einer punktförmigen zentralen Steuerelektrode ausgebildet. Fig. 8(a) zeigt einen Schnitt entlang der Linie H-H des Bodenkontaktmusters gemäss Fig. 8(b), und Fig. 8(c) zeigt einen Schnitt der Herausführung des Bodenkontaktgliedes. Gemäss Fig. 8(a) kann die zentrale Steuerelektrodenschicht PBG anstelle eines punktförmigen Aufbaus auch einen ebenen Aufbau oder einen Radiallinienaufbau haben. Ein Emitterkontakt 102 wird mit der Oberseite eines erhabenen Bereichs Y (Pfeillinie der Fig. 8(c)) eines Zwischenkontaktgliedes 201 durch Druckschweissen oder Löten in Berührung gebracht.
Das Zwischenkontaktglied 201 besteht aus einem Metall mit einem Muster ähnlich dem Muster des Emitterkontakts 102 der Fig. 8(b) und hat eine kleine erhabene Fläche Y, welche durch Schweissen des Metalls (z. B. des Aluminiums) oder durch Löten mit dem Kontakt 102 verbunden ist. Der Steuerelektrodenkontakt 105 wird durch Druckschweissen in Berührung gebracht mit einem Zuleitungselement 203, welches eine isolierende Beschichtung 220 aufweist Der Zwischenkontakt 201 ist durch Druckschweissen mit einem Kupferblock 202 verbunden.
Auf diese Weise sind gemäss Fig. 6 bis 8 zusammengesetzte Halbleiterschaltungen aufgebaut, welche einen Thyristorteil und einen Transistorteil umfassen, wobei die Anode und die Kathode des Thyristorteils zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistorteils geschaltet sind. Eine solche Halbleiterschaltvorrichtung ist ausgezeichnet für die eingangs genannten Zwecke verwendbar.
Wie erwähnt wird ein Halbleiterschalter mit einem Transistor und einem zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors geschalteten Thyristor geschaffen, wobei ein Impulsstrom der Basis des Transistors zugeführt wird, derart, dass der Thyristor leicht ausgeschaltet oder gelöscht werden kann. Ferner wird die Ausschaltcharakteristik oder Löschcharakteristik verbessert, indem man die Steuerelektrode des Thyristors in Sperrichtung beaufschlagt. Ferner ist eine Diode oder eine Diodenschaltung umgekehrt parallel zum Thyristor geschaltet, so dass die Speicherzeit oder Freiwerdezeit herabgesetzt ist und die Gesamtlöschzeit verkürzt ist.
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PATENT CLAIMS
1. Semiconductor switch with a base, a collector and an emitter transistor and a
Control electrode, an anode and a cathode thyristor, which is connected via anode and cathode between the collector and base of the transistor, characterized by a control device (8) for loading the base of the
Transistors (1) with a forward base current pulse with forward polarity leading to quenching the thyristor (6)
Terms of the base.
2. A semiconductor switch according to claim 1, characterized by an additional control device (7) connected to the control electrode of the thyristor (6) for supplying the thyristor (6) with a control electrode current which supports the quenching of the thyristor (6).
3. A semiconductor switch according to claim 2, characterized by a diode (9), wherein the anode of the diode (9) with the
Cathode of the thyristor (6) is connected, and wherein the
Cathode of the diode (9) with the anode of the thyristor (6) is the verbun
4. Semiconductor switch according to one of claims 1 to 3, characterized in that the transistor (1) and the Thyri stor (6) are integrally formed in a common semiconductor wafer.
5. Semiconductor switch according to one of claims 1 to 4, characterized by a first and a second pulse transformer (10, 11), wherein the first control device (7) via the first pulse transformer (10) with the control electrode (G) of the thyristor (6 ) is connected, and wherein the second control device (8) is connected to the base of the transistor (1) via the second pulse transformer (11) (FIG. 5).
6. Semiconductor switch according to one of claims 1 to 5, characterized in that the contact (105) of the control electrode and the contact (104) of the cathode of the thyristor (6) have a toothed pattern (Fig. 7b).
The invention relates to a semiconductor switch having a transistor having a base, a collector and an emitter and a thyristor having a control electrode, an anode and a cathode, which is connected via anode and cathode between the collector and the base of the transistor.
Semiconductor switches according to FIGS. 1 (a) and 1 (b) are known. 1 (a) shows a circuit of a Darlington transistor switch, which comprises a main transistor 1, an auxiliary transistor 2 between the collector and the base of the main transistor 1 and a control device 3 for controlling the base current of the auxiliary transistor 2. Fig. L (b) shows another semiconductor switch with a main transistor 1, a thyristor 4 which can be erased via the control electrode between the collector and the base of the main transistor 1, with a pulse (or a continuous current) being supplied to the control electrode G in order to ignite the thyristor 4 is, and wherein to erase the thyristor 4 of the control electrode G, a pulse is supplied in the reverse direction.
In the circuit according to FIG. 1 (a), it is necessary to continuously supply a sufficient base current during the ON period. In addition, a steep rise in the collector voltage in an overcurrent range is inevitable, so that the capacity of the circuit against voltage peaks is low. In the circuit according to FIG. 1 (b), the voltage drop across the thyristor 4 does not increase sharply in an overcurrent range and thus there is no sharp increase in the collector voltage of the main transistor 1. This circuit therefore has a large capacitance against voltage peaks.
With this circuit, however, there are difficulties in erasing the thyristor 4, which requires an intricate control electrode structure of the thyristor. Therefore, the voltage drop across the thyristor 4 is large, and the collector voltage drop across the main transistor 1 increases accordingly. The present invention is primarily concerned with the problem of reducing the erase time of the thyristor 4 which drives the base of the main transistor 1.
It is therefore an object of the present invention to provide a semiconductor switch with a transistor and a thyristor connected between the collector and the base of the transistor, in which the thyristor can be easily extinguished by applying a pulse current to the base of the transistor. It is also an object of the invention to provide a semiconductor switch which can be operated with the desired quenching characteristic, for which purpose a reverse voltage is applied to the control electrode of the thyristor. It is a further object of the invention to provide a semiconductor switch with a thyristor and a diode or a diode circuit in reverse parallel to the thyristor, the storage time (release time) being reduced and thus the total erasing time being reduced.
This object is achieved according to the invention by a semiconductor switch having a transistor, which has a base, a collector and an emitter, and a thyristor which has a control electrode, an anode and a cathode and is connected between the collector and the base of the transistor via anode and cathode, which is characterized in is by a control device for supplying the base of the transistor with a forward base current pulse with forward polarity with respect to the base which leads to the quenching of the thyristor.
The invention is explained in more detail below with reference to drawings. Show it
Fig. L (a) and (b) circuits of conventional semiconductor switches;
2 (a) and (b) circuits of two embodiments of the semiconductor switch according to the invention;
3 and 4 waveform diagrams to illustrate the operation of the circuits shown in FIG. 2;
5 shows a schematic view of an embodiment of the semiconductor switch according to the invention and
6 to 8 further embodiments of the semiconductor switch according to the invention.
2 (a) and 2 (b) show circuits of the semiconductor switch according to the invention with an auxiliary thyristor 6, for. B. a thyristor that can not be deleted via the control electrode, a thyristor whose control electrode can be applied in the reverse direction or a thyristor that can be deleted via the control electrode. The circuits further comprise a first control device 7 for supplying a control current ig to the auxiliary thyristor 6 and a second control device 8 for supplying a pulse base current iB to the main transistor 1.
The operation of these circuits will be explained below with reference to FIGS. 3 and 4. According to FIG. 2 (a), the first control device 7 supplies the auxiliary thyristor 6 with a control pulse current ig, which is represented by a solid line, or a continuous control current ig, which is represented in FIG. 3 (b) by a dashed line, around the Turn on the main transistor. This operation causes a constant base current IE (ON) according to FIG. 3 (d) during the period tt3. This base current is part of a current which flows through the switch connections X and Y and is shunted by the thyristor 6.
The collector voltage VCE (ON) of the main transistor 1 during the time of the uniform switch-on t13 is that
Sum of the base-emitter voltage drop VBE (ON) of the main transistor 1 and the anode-cathode voltage drop VAK (ON) of the thyristor 6 according to the waveforms e and f of FIG. 3.
When the switch is cleared at time t3, the main transistor 1 is supplied with a pulse base current by the second control device 8 as shown in FIG. 3 (c). During the period tR (= t34) of the base current iBI, the base-emitter voltage drop VBE is increased, and a pulse base current iB 'flows, which is greater than IB (ON), so that the collector-emitter voltage VCE is reduced.
As a result, the anode cathode voltage VAK of the auxiliary thyristor 6 is reduced and may be inverted since VAK I VCE - VBE applies. Therefore, with a sufficiently large pulse base current iB, the collector emitter voltage VCE becomes almost as large as or less than the base-emitter voltage VBE, d. H. the anode-cathode voltage VAK is almost equal to or less than zero (VAK = 0).
During a certain period of time after the pulse base current iB 'has been removed, the collector-emitter voltage VCE does not rise rapidly. At time ts, after the release time or storage time t45, the collector-emitter voltage VCE rises, so that the erasing process is ended. Thus, the blocking ability of the auxiliary thyristor 6 in the forward direction is restored during the period t34 of supplying the pulse base current and during the storage period t45.
As described, base current is continuously supplied to the main transistor in this way via the thyristor, and thus the ignition signal or switch-on control signal can be a pulse which acts on the control electrode of the thyristor. To erase the main transistor, it is only necessary to supply the main transistor 1 with the pulse base current iBw for a certain period of time.
During this process, the thyristor current is kept below the holding current, or the control electrode of the thyristor is acted on in the reverse direction, so that the thyristor can be quickly extinguished. If the pulse base current iB is large enough, the thyristor 6 is acted on in the reverse direction. The result of this is that part (ir of the pulse base current iB runs via the collector-emitter circuit of the transistor, in the reverse direction via the thyristor 6 and thus serves as current ir, which restores the thyristor 6. In this circuit, the auxiliary thyristor 6 is not necessarily an erasable thyristor via the control electrode.
Fig. 4 shows waveforms to illustrate the operation of erasing the thyristor 6 by applying its control electrode in the reverse direction. The waveforms (b) or (c) show the reverse voltage Vgk and the reverse control electrode current -i ,. This reverse biasing reduces the amount of time required to restore the thyristor's pass blocking capacity so that the total time of quenching is reduced.
The base reverse current -iB can be present during the time period t4-t5 while the transistor is switched off. This makes it possible to reduce the storage time and to minimize its change and thus to shorten the total deletion time.
If a thyristor 6 of the type which can be erased via the control electrode is used, the thyristor anode current 1AK (OFF) which flows due to the control of the control electrode during quenching or immediately before the rise in voltage in the forward direction becomes smaller than the uniform or constant Base current 1B (ON>, ie
IAK (OFF) = IB (ON) iB. The quenching anode current, which is essentially responsible for quenching the thyristor, is thus reduced. In contrast to the conventional switch according to FIG. 1 (b), the switch according to the invention can thus switch off a large current if a thyristor which can be erased via the control electrode is used in the reverse direction under the same conditions as the control electrode.
2 (a) and 2 (b), it can be assumed that a diode 9 is reversely connected in parallel to the thyristor 6, as shown by a broken line, and that a pulse base current iB 'is supplied to the thyristor 6 to delete. In this case, the diode 9 becomes conductive when the voltage (VBE-VCE) exceeds the threshold voltage of the diode 9. More precisely, the pulse base current iB 'is shunted by the diode 9 when the thyristor 6 is acted on slightly in the reverse direction. This prevents the collector voltage VCE from being excessively lowered and an excessive pulse base current from being supplied. As a result, the transistor storage time t4s can be reduced after the pulse base current is removed.
5 shows a schematic representation of an embodiment of the semiconductor switch according to the invention with a transistor region NC-PBB-NEE consisting of three layers and a thyristor region PE-NB PBG-NEK consisting of four layers. The two regions are formed in one piece in a semiconductor wafer. The collector layer Nc and the anode layer PE are bridged by a first contact 101, which serves as a common anode-collector connection AC. A fourth contact 104, which is connected to the cathode layer NEK, is connected to a third contact 103, which is connected to the base layer PBB, and serves as a common cathode-base connection KB. The emitter layer NEE is in contact with a second contact 102, which serves as an emitter connection E.
The control electrode layer PBG is in contact with a fifth contact 105, which serves as the control electrode G. The transition between the thyristor base layer NB and the control electrode layer PBG and the transition between the transistor collector layer Nc and the base layer PBB are at the same level.
5, a pulse base current iB 'is supplied from a second control device 8' via a pulse transformer 11 and a blocking control electrode current -i0 is supplied to the semiconductor switch. This circuit comprises diodes 12, 14 and circuit elements 13, 15 and 17, e.g. B. Resistors.
6 to 8 show embodiments of the integration of the transistor (1) and the thyristor (6) of the embodiment according to FIGS. 2 (a) and (b) in a common semiconductor wafer. FIG. 6 (a) shows a section along the line H-H of FIG. 6 (b), which shows a contact pattern on the underside of the semiconductor switch. The thyristor is formed by the four semiconductor layers PE, NB, PBG and NEK. The transistor is formed by the three semiconductor layers Nc, PBB and NEK.
The control device 7, 8 of FIGS. 2 (a) and (b) is connected to the electrodes shown in FIG. 6, to be precise with the control electrode G (105) of the thyristor and the emitter electrode E (102) of the transistor and with the common electrode KB for the cathode (104) of the thyristor and the base (103) of the transistor. For this purpose, contacts 103 and 104 are connected to one another. The intermediate region P5, e.g.
PBS between the thyristor region and the transistor region is connected to the fourth contact for short-circuiting them. This arrangement serves to keep the transistor current in the PBS region and thus prevent this transistor current from flowing into the thyristor region such that the thyristor is prevented from re-igniting when it is operated to perform the erase operation. The union of the third and fourth contacts simplifies the overall construction of the device. The layers PBS and Nc serve as a diode 9, which is connected in parallel with the thyristor region in reverse.
7 schematically shows a further embodiment of the invention, the third contact and the fourth contact being formed separately, and the intermediate region layer PBS and the second contact 102 being short-circuited.
With this arrangement, the separation of the transistor part from the thyristor part is improved, and the quenching characteristic of the thyristor is accordingly improved. With this arrangement, the separation region layer PBS is short-circuited with the emitter E, so that no transistor current reaches the region of the layer PBS and the diffusion of the transistor current into the thyristor part is thus minimized. The third contact 103 and the fourth contact 104 are connected to one another by a switching wire 110.
In the embodiment according to FIG. 8, an auxiliary thyristor with a punctiform central control electrode is formed in the central region of the semiconductor switch. FIG. 8 (a) shows a section along the line H-H of the ground contact pattern according to FIG. 8 (b), and FIG. 8 (c) shows a section of the lead-out of the ground contact member. 8 (a), the central control electrode layer PBG may have a flat structure or a radial line structure instead of a punctiform structure. An emitter contact 102 is brought into contact with the top of a raised region Y (arrow line of FIG. 8 (c)) of an intermediate contact member 201 by pressure welding or soldering.
Intermediate contact member 201 is made of a metal with a pattern similar to the pattern of emitter contact 102 of Fig. 8 (b) and has a small raised area Y which is achieved by welding the metal (e.g. aluminum) or by soldering to the contact 102 is connected. The control electrode contact 105 is brought into contact by pressure welding with a supply element 203 which has an insulating coating 220. The intermediate contact 201 is connected to a copper block 202 by pressure welding.
In this way, according to FIGS. 6 to 8, composite semiconductor circuits are constructed which comprise a thyristor part and a transistor part, the anode and the cathode of the thyristor part being connected between the collector and the base of the transistor part. Such a semiconductor switching device can be used excellently for the purposes mentioned at the beginning.
As mentioned, a semiconductor switch is provided with a transistor and a thyristor connected between the collector and the base of the transistor, with a pulse current being supplied to the base of the transistor such that the thyristor can be easily switched off or erased. Furthermore, the switch-off characteristic or quench characteristic is improved by applying the control electrode of the thyristor in the reverse direction. Furthermore, a diode or a diode circuit is reversed in parallel with the thyristor, so that the storage time or free time is reduced and the total erase time is shortened.