DE10016233A1

DE10016233A1 - Abschaltbarer Thyristor

Info

Publication number: DE10016233A1
Application number: DE10016233A
Authority: DE
Inventors: Martin Ruff; Hans-Joachim Schulze
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-11

Abstract

Der Thyristor (1) weist eine Einrichtung (3) zur Erzeugung und Injizierung eines elektrischen Stromimpulses (I) in eine Basis (15) des Thyristors während eines eingeschalteten Zustandes des Thyristors auf. Dieser Thyristor kann während seines eingeschalteten Zustandes ohne ein Absenken des durch den Thyristor fließenden Stroms unter den Wert des Haltestroms abgeschaltet werden. Die Einrichtung (3) weist vorzugsweise einen opto-elektrischen Wandler (30) zur Erzeugung des Stromimpulses aus einem optischen Strahlungsimpuls (I') auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen abschaltbaren Thyristor.

Thyristoren werden bekanntermaßen und üblicherweise durch ei nen Zündimpuls in den eingeschalteten Zustand gebracht, bei dem der Thyristor elektrisch leitet, und danach durch Absen ken des durch den Thyristor fließenden Stroms unter den Wert des Haltestroms abgeschaltet, d. h. in den abgeschalteten Zu stand gebracht, bei dem der Thyristor blockiert oder sperrt. Das Absenken des Stroms kann durch Absenken der am Thyristor anliegenden elektrischen Spannung auf ungefähr null Volt er folgen. Somit ist jeder Thyristor gewissermaßen ein abschalt barer Thyristor.

Der Zündimpuls ist bekanntermaßen ein in eine Basis des Thy ristors injizierter elektrischer Stromimpuls, der durch eine elektrische Zündeinrichtung direkt oder durch eine opto elektrische Zündeinrichtung indirekt erzeugt werden kann.

Eine elektrische Zündeinrichtung kann beispielsweise eine mit einer Basis verbundene Gateelektrode des Thyristors aufwei sen, an die ein elektrischer Stromimpuls angelegt und von dieser Elektrode direkt in diese Basis injiziert wird.

Eine opto-elektrische Zündeinrichtung weist einen opto- elektrischen Wandler auf, dem ein optischer Strahlungsimpuls zugeführt und im Wandler in einen in eine, d. h. die kathoden seitige und/oder anodenseitige Basis des Thyristors injizier ten elektrischen Stromimpuls umgewandelt wird. Beim direkt optisch gezündeten Thyristor ist dieser opto-elektrische Wandler in den Thyristor integriert. Beispiele opto- elektrischer Zündeinrichtungen gehen aus H. Mitlehner, J. Sack, H.-J. Schulze: "High Voltage Thyristor for HVDC Trans mission and Static VAR Compensators", Proceedings of PESC, Kyoto, 1988, S. 934, aus WO 98/34282 (GR 97 P 1089) und/oder aus M. Ruff, H.-J. Schulze, U. Kellner: "Progress in the De velopment of an 8 kV Light-Triggered Thyristor with Integrated Protection Functions", IEEE Trans ED, 1999 hervor.

Aus der erwähnten Druckschrift der Autoren H. Mitlehner, J. Sack und H.-J. Schulze geht ein Thyristor mit asymmetrischem Aufbau hervor, bei dem sich ein dicht bei 1 liegender Wert der Summe α1 + α2 aus dem kathodenseitigen Transistorver stärkungsfaktor α1 und dem anodenseitigen Transistorverstär kungsfaktor α2 des Thyristors dadurch realisieren lässt, dass der anodenseitige Emitterwirkungsgrad und damit der ano denseitige Transistorverstärkungsfaktor α2 durch eine geeig nete Wahl einer den asymmetrischen Aufbau des Thyristors be dingenden, speziell n-dotierten Stoppzone nicht zu hoch ge wählt wird.

Aus EP 0 833 388 A2 (GR 96 P 2299) ist ein Beispiel eines Thyristors bekannt, bei dem zwischen einer Zündeinrichtung zum Zünden des abgeschalteten Thyristors und den kathodensei tigen Emitter des Thyristors mehrere über einen elektrischen Widerstand miteinander verbundene Treiberstufen geschaltet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thyristor bereitzustel len, der während seines eingeschalteten Zustandes ohne ein Absenken des durch den Thyristor fließenden Stroms unter den Wert des Haltestroms abgeschaltet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merk male gelöst.

Gemäß dieser Lösung weist der erfindungsgemäße Thyristor eine Einrichtung zur Erzeugung und Injizierung eines elektrischen Stromimpulses in eine Basis des Thyristors während eines ein geschalteten Zustandes des Thyristors auf.

Diese Einrichtung wirkt vorteilhafterweise von selbst wie ei ne Abschalteinrichtung zur Abschaltung des Thyristors während des eingeschalteten Zustandes des Thyristors. Ein Absenken des durch den Thyristor fließenden Stroms unter den Wert des Haltestroms z. B. durch Absenken der am Thyristor anliegenden elektrischen Spannung auf 2 bis 3 Volt (= etwa 0 Volt) ist beim erfindungsgemäßen Thyristor vorteilhafterweise nicht er forderlich.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Thyristors weist die Einrichtung zur Erzeugung und Injizie rung des Stromimpulses während des eingeschalteten Zustandes des Thyristors einen opto-elektrischen Wandler zur Erzeugung des Stromimpulses aus einem optischen Strahlungsimpuls auf.

Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu se hen, dass der Abschaltvorgang kontaktlos und potentialfrei ausgeführt und damit die Zuverlässigkeit eines Thyristors, insbesondere eines Leistungsthyristors, stark verbessert wer den kann.

Eine zweckmäßige und insbesondere bei der erwähnten Ausges taltung mit dem opto-elektrischen Wandler vorteilhafte Aus führungsform des erfindungsgemäßen Thyristors weist zumindest eine Treiberstufe, vorzugsweise zumindest zwei über einen e lektrischen Widerstand miteinander verbundene Treiberstufen auf, die zwischen die Einrichtung zur Erzeugung und Injizie rung des Stromimpulses während des eingeschalteten Zustandes des Thyristors und einen Emitter des Thyristors geschaltet ist oder sind.

Ein Abschalten des Thyristors durch eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung und Injizierung eines Stromimpulses in eine Basis des Thyristors während eines eingeschalteten Zustandes des Thyristors kann vorteilhafterweise erleichtert werden, wenn

- der Thyristor derart ausgebildet ist, dass im eingeschalte ten Zustand des Thyristors die Summe α1 + α2 aus kathoden seitigem Transistorverstärkungsfaktor α1 und anodenseitigem Transistorverstärkungsfaktor α2 des Thyristors auf einen Wert kleiner als 1,5 einstellbar ist, und
- die Einrichtung zur Erzeugung und Injizierung des Stromim pulses in eine Basis des Thyristors während des eingeschalte ten Zustandes des Thyristors diesen Stromimpuls erzeugt und in eine Basis injiziert, während der Thyristor auf diesen we niger als 1,5 betragenden Wert der Summe α1 + α2 eingestellt ist.

Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Einrich tung zur Erzeugung und Injizierung des Stromimpulses in eine Basis des Thyristors während des eingeschalteten Zustandes des Thyristors diesen Stromimpuls erzeugt und in eine Basis injiziert, wobei der Thyristor bei Abwesenheit dieses Strom impulses auf einen weniger als 1,2 betragenden vorzugsweise dicht bei 1 liegenden Wert der Summe α1 + α2 eingestellt ist.

Ein Thyristor mit einem weniger als 1,5 betragenden, insbe sondere dicht bei 1 liegenden Wert der Summe α1 + α2 kann auf einfache Weise mit einem erwähnten asymmetrischen Aufbau des Thyristors erzielt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, dass eine erfindungsgemäße Ein richtung zur Erzeugung und Injizierung eines elektrischen Stromimpulses in eine Basis eines Thyristors während eines eingeschalteten Zustandes des Thyristors auch zur Erzeugung und Injizierung eines elektrischen Stromimpulses in eine Ba sis des Thyristors während eines abgeschalteten Zustandes des Thyristors zu einem Zünden des Thyristors verwendet werden kann. Dies bedeutet, dass beim erfindungsgemäßen Thyristor sowohl zum Zünden als auch zum Abschalten dieses Thyristors eine und dieselbe Einrichtung verwendet werden kann und da durch der Aufbau dieses Thyristors besonders einfach und gegenüber einem herkömmlichen Thyristor nicht verkompliziert wird.

Der erfindungsgemäße Thyristor ist auch als oder für einen Transistor verwendbar.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein in einem Schnitt dargestelltes spezielles Bei spiel eines Thyristors mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung und Injizierung eines e lektrischen Stromimpulses in die kathodenseitige Ba sis des Thyristors während eines eingeschalteten Zu standes des Thyristors

Fig. 2 ein Diagramm, bei dem auf einer Ordinate eine am Thy ristor nach Fig. 1 anliegende elektrische Spannung und optische Strahlungsimpulse, die ein Ein- und Aus schalten dieses Thyristors bewirken, über der auf der Abszisse aufgetragen Zeit dargestellt sind,

Fig. 3 den Ausschnitt A des Diagramms nach Fig. 2 in ver größerter Darstellung, und

Fig. 4 ausschnitthaft und im Schnitt eine andere beispiel hafte Einrichtung zur Erzeugung und Injizierung eines elektrischen Stromimpulses in die kathodenseitige Ba sis eines Thyristors während eines eingeschalteten Zustandes des Thyristors.

Die Zeichnungen sind schematisch und nicht maßstäblich.

Der beispielhafte Thyristor 1 nach Fig. 1 ist generell mit 1 bezeichnet und weist einen generell mit 10 bezeichneten Kör per aus unterschiedlich dotiertem Halbleitermaterial auf, der zwei voneinander abgekehrte Oberflächenabschnitte 11 und 12 hat.

Auf einem der beiden Oberflächenabschnitte 11 und 12, bei spielsweise auf dem Oberflächenabschnitt 11, ist eine Elekt rode 13 angeordnet, die eine Kathode des Thyristors 1 bildet. Auf dem anderen Oberflächenabschnitt, im Beispiel der Ober flächenabschnitt 12, ist eine Elektrode 18 angeordnet, die eine Anode des Thyristors 1 bildet.

Zwischen den beiden Oberflächenabschnitten 11 und 12 weist der Körper 10 vom einen Oberflächenabschnitt 11 in Richtung zum anderen Oberflächenabschnitt 12 der Reihe nach auf:

- Einen zumindest im Bereich der Kathode 13 an den einen O berflächenabschnitt 11 des Körpers 1 grenzenden dotierten Be reich 14 eines ersten Leitungstyps, der einen kathodenseiti gen Emitter des Thyristors 1 bildet,
- einen an den kathodenseitigen Emitter 14 grenzenden dotier ten Bereich 15 eines zweiten Leitungstyps, der eine kathoden seitige Basis des Thyristors 1 bildet,
- einen an die kathodenseitige Basis 15 grenzenden dotierten Bereich 16 des ersten Leitungstyps, der eine anodenseitige Basis des Thyristors 1 bildet, und
- einen sowohl an die anodenseitige Basis 16 als auch zumin dest im Bereich der Anode 18 an den anderen Oberflächenab schnitt 12 grenzenden dotierten Bereich 17 des zweiten Lei tungstyps, der einen anodenseitiger Emitter des Thyristors 1 bildet.

Beispielsweise entspreche der erste Leitungstyp einer n- Dotierung und der zweite Leitungstyp einer p-Dotierung des z. B. Silizium aufweisenden Halbleitermaterials.

Speziell ist der kathodenseitige Emitter 14 n⁺-dotiert, die kathodenseitige Basis 15 p-dotiert, die anodenseitige Basis 16 generell n-dotiert und der anodenseitige Emitter 17 p⁺- dotiert.

Die anodenseitige Basis 16 weist insbesondere einen an die kathodenseitige Basis 15 grenzenden n^--dotierten Unterbereich 161 und einen sowohl an den Unterbereich 161 als auch den a nodenseitigen Emitter 17 grenzenden n⁺-dotierten Unterbereich 162 auf, der eine Stoppzone der anodenseitige Basis 16 bil det. Aufgrund dieser Ausbildung der anodenseitige Basis 16 ist der Thyristor 1 speziell ein Thyristor mit asymmetrischem Aufbau oder kurz ein asymmetrischer Thyristor.

Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den beispielhaften Thyristor 1 nach Fig. 1 be schränkt ist, sondern prinzipiell bei jeder beliebigen Aus führung eines Thyristors realisiert werden kann. Beispiels weise muss der Thyristor nicht asymmetrisch sein, obgleich dies vorteilhaft sein kann, und kann bekanntermaßen der ka thodenseitige Emitter 14 nicht dargestellte Kathodenkurz schlüsse und/oder der anodenseitige Emitter 17 nicht darge stellte Anodenkurzschlüsse aufweisen.

Erfindungswesentlich ist, dass der Thyristor die Einrichtung zur Erzeugung und Injizierung eines elektrischen Stromimpul ses in eine Basis, d. h. in die kathoden- und/oder anodensei tige Basis des Thyristors während eines eingeschalteten Zu standes des Thyristors aufweist.

Beim beispielhaften Thyristor 1 nach Fig. 1 ist diese Ein richtung generell mit 3 bezeichnet und erzeugt und injiziert einen elektrischen Stromimpuls I in die kathoden- und/oder anodenseitige Basis 15 bzw. 16 des Thyristors 1 während eines eingeschalteten Zustandes des Thyristors 1.

Insbesondere weist die Einrichtung 3 einen opto-elektrischen Wandler 30 zur Erzeugung des Stromimpulses I aus einem opti schen Strahlungsimpuls I' auf. Dieser Wandler 30 besteht im Wesentlichen aus dem symbolisch durch die gestrichelte Linie 300 von der übrigen kathodenseitigen Basis 15 abgegrenzten Abschnitt 15' dieser Basis 15, dem der Strahlungsimpuls I' beispielsweise durch den einen Oberflächenabschnitt 11 des Körpers 10 während des eingeschalteten Zustandes des Thy ristors 1 zugeführt wird.

Der Strahlungsimpuls I' wird beispielsweise von einer steuer baren optischen Quelle 31 der Einrichtung 3 erzeugt. Die Quelle 31 ist beispielsweise so ausgebildet, dass ihr zu ei nem Zeitpunkt t1, bei dem sich der Thyristor 1 in einem ein geschalteten Zustand befindet, ein elektrisches Steuersignal 51 zugeführt wird, das zu diesem Zeitpunkt t1 den Strahlungs impuls I' auslöst, der den Thyristor 1 abschaltet. Die Quelle 31 kann z. B. eine Laserdiode 31' zur Erzeugung eines Strah lungsimpulses I' in Form eines Laserimpulses aufweisen.

Der abgeschaltete Thyristor 1 kann durch einen Zündimpuls in Form eines optischen Strahlungsimpulses I" eingeschaltet werden, der von einer nicht dargestellten anderen optischen Quelle, vorteilhafterweise aber von der schon vorhandenen Quelle 31 erzeugt werden kann. Beispielsweise wird der Quelle 31 zu einem Zeitpunkt t2, bei dem sich der Thyristor 1 in ei nem abgeschalteten Zustand befindet, ein elektrisches Steuer signal S2 zugeführt, das zu diesem Zeitpunkt t2 den Strah lungsimpuls I" auslöst, der den Thyristor 1 einschaltet.

Zweckmäßig ist es, wenn die optische Leistung und/oder die Impulsdauer eines Strahlungsimpulses I', der zum Abschalten des Thyristors 1 dient, größer als die optische Leistung ei nes Strahlungsimpulses I" gewählt wird, der zum Zünden bzw. Einschalten des Thyristors 1 dient.

Der Thyristor 1 nach Fig. 1 ist beispielsweise so ausgebil det, dass zwischen die Einrichtung 3 zur Erzeugung und Inji zierung des Stromimpulses I während des eingeschalteten Zu standes des Thyristors 1 und den kathodenseitigen Emitter 14 des Thyristors 1 mehrere, beispielsweise zwei Treiberstufen 2, 2 geschaltet sind, die beispielsweise über einen elektrischen Widerstand 22 miteinander verbunden sind. Solche Trei berstufen 2, 2 können das Abschalten des Thyristors 1 mit Hilfe der Einrichtung 3 begünstigen.

Beispielsweise weist jede Treiberstufe 2 je einen an den O berflächenabschnitt 11 des Körpers 10 und an die kathodensei tige Basis 15 grenzenden n⁺-dotierten Bereich 20 und eine diesen Bereich 20 teilweise abdeckende Elektrode 21 auf dem Oberflächenabschnitt 11 auf.

Das Abschalten des Thyristors 1 nach Fig. 1 mit Hilfe der Einrichtung 3 wird dadurch erleichtert, dass im eingeschalte ten Zustand des Thyristors 1 die Summe α1 + α2 aus dem ka thodenseitigen Transistorverstärkungsfaktor α1 und dem ano denseitigen Transistorverstärkungsfaktor α2 des Thyristors 1 auf einen Wert möglichst dicht bei 1, jedenfalls aber kleiner als 1,5 einstellbar ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm zeigt das Ein- und Ab schalten des Thyristors 1 nach Fig. 1 mit Hilfe der opti schen Strahlungsimpulsen I' und I".

Der Thyristor 1 wurde nahe seines Haltpunktes betrieben. Dort ist die Summe α1 + α2 aus dem kathodenseitigen Transistor verstärkungsfaktor α1 und dem anodenseitigen Transistorver stärkungsfaktor α2 nahe 1. Die am abgeschalteten Thyristor 1 zwischen der Kathode 13 und der Anode 18 anliegende elektri sche Spannung U betrug 100 Volt. Der Thyristor 1 wurde im 50 Hertz-Betrieb periodisch durch die Strahlungsimpulse I" und I' ein- bzw. abgeschaltet, d. h. der zeitliche Abstand Δt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen I" und I' betrug 1/50 s.

Die Kurve C in Fig. 3 gibt den Verlauf der Spannung U in Ab hängigkeit von der Zeit t wieder. Zu jedem Zeitpunkt t1, bei dem ein Strahlungsimpuls I' an die Quelle 31 gegeben wird, schaltet der Thyristor 1 ab, was sich darin zeigt, dass die Spannung U von etwa 0 Volt auf 100 Volt ansteigt. Zu jedem Zeitpunkt t2, bei dem ein Strahlungsimpuls I" an die Quelle 31 gegeben wird, schaltet der Thyristor 1 ein, was sich darin zeigt, dass die Spannung U von 100 Volt auf etwa 0 Volt ab nimmt.

In Fig. 3 ist ein Abschaltvorgang in vergrößerter Zeitauflö sung dargestellt, wobei der diesen Vorgang zu einem Zeitpunkt t1 auslösende Strahlungsimpuls I' der im Ausschnitt A der Fig. 3 liegenden und zeitlich stark gedehnt dargestellten An stiegsflanke der Kurve C überlagert ist. Kurz nach dem 10 µs lang dauernden Strahlungsimpuls I' wächst die Spannung U und der Thyristor 1 schaltet ab. Der Abschaltvorgang hängt von der optischen Leistung des Impulses I' ab, die beispielsweise 40 bis 80 mW beträgt.

In der Fig. 4 ist ausschnitthaft eine andere Einrichtung 3 zur Erzeugung und Injizierung eines elektrischen Stromimpul ses I in die kathodenseitige Basis 15 des Thyristors 1 wäh rend eines eingeschalteten Zustandes des Thyristors 1 darge stellt. Diese Einrichtung 3 besteht im Wesentlichen aus dem symbolisch durch die gestrichelte Linie 300 von der übrigen kathodenseitigen Basis 15 des Thyristors 1 abgegrenzten Ab schnitt 15' dieser Basis 15 und einer Gateelektrode 19. Der Gateelektrode 19 wird zu einem Zeitpunkt t1, bei dem der Thy ristor 1 eingeschaltet ist, ein Stromimpuls I zugeführt, der von der Elektrode 19 in die Basis 15 injiziert wird und der den Thyristor 1 abschaltet.

Auch diese Einrichtung 3 kann zugleich als eine Zündeinrich tung zum Zünden des abgeschalteten Thyristors 1 verwendet werden. Dazu wird der Gateelektrode 19 zu einem Zeitpunkt t2, bei dem der Thyristor 1 abgeschaltet ist, ein Stromimpuls zu geführt, der von der Elektrode 19 in die Basis 15 injiziert wird und der den Thyristor 1 einschaltet.

Claims

1. Thyristor (1), mit einer Einrichtung (3) zur Erzeugung und Injizierung eines elektrischen Stromimpulses (I) in eine Ba sis (15) des Thyristors (1) während eines eingeschalteten Zu standes des Thyristors (1).

2. Thyristor (1) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (3) zur Erzeugung und Injizierung des Stromimpulses (I) während des eingeschalteten Zustandes des Thyristors (1) einen opto elektrischen Wandler (30) zur Erzeugung des Stromimpulses (I) aus einem optischen Strahlungsimpuls (I') aufweist.

3. Thyristor (1) nach Anspruch 1 oder 2, mit zumindest einer Treiberstufe (2), die zwischen die Einrichtung (3) zur Erzeu gung und Injizierung des Stromimpulses (I) während des einge schalteten Zustandes des Thyristors (1) und einen Emitter (14) des Thyristors (1) geschaltet ist.

4. Thyristor () nach Anspruch 3, mit zumindest zwei über ei nen elektrischen Widerstand (22) miteinander verbundenen Treiberstufen (2, 2), die zwischen die Einrichtung (3) zur Erzeugung und Injizierung des Stromimpulses (I) während des eingeschalteten Zustandes des Thyristors (1) und den einen Emitter (14) des Thyristors (1) geschaltet sind.

5. Thyristor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei

- der Thyristor (1) derart ausgebildet ist, dass im einge schalteten Zustand des Thyristors (1) die Summe (α1 + α2) aus kathodenseitigem Transistorverstärkungsfaktor (α1) und anodenseitigem Transistorverstärkungsfaktor (α2) des Thy ristors (1) auf einen Wert kleiner als 1,5 einstellbar ist, und
- die Einrichtung (3) zur Erzeugung und Injizierung des Stromimpulses (I) in eine Basis (16) des Thyristors (1) wäh rend des eingeschalteten Zustandes des Thyristors (1) diesen Stromimpuls (I) erzeugt und in eine Basis (16) injiziert, wo bei der Thyristor (1) bei Abwesenheit dieses Stromimpulses (I) auf diesen weniger als 1,5 betragenden Wert der Summe (α1 + α2) eingestellt ist.

6. Thyristor () nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung (3) zur Erzeugung und Injizierung des Stromimpulses (I) in eine Basis (16) des Thyristors (1) während des eingeschalteten Zu standes des Thyristors (1) diesen Stromimpuls (I) während ei nes weniger als 1,2 betragenden Wertes der Summe (α1 + α2) eingestellten Thyristors (1) erzeugt und in eine Basis (16) injiziert.

7. Thyristor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit asymmetrischem Aufbau.

8. Anwendung einer Einrichtung (3) zur Erzeugung und Injizie rung eines elektrischen Stromimpulses (I) in eine Basis (16) eines Thyristors (1) während eines eingeschalteten Zustandes des Thyristors (1) zur Erzeugung und Injizierung eines elekt rischen Stromimpulses (I) in eine Basis (16) des Thyristors (1) während eines abgeschalteten Zustandes des Thyristors (1) zu einem Zünden des Thyristors (1).