SE430450B - Tvapoligt overstromsskydd for inkoppling i en stromforande ledning - Google Patents

Description

15 20 25 30 7902932-8 Fig 1 visar ett ekvivalent schema för ett överströmsskydd enligt uppfin- ningen. Skyddet är tvåpoligt och är avsett att inkopplas i en ledning, t eåcen tilledning till ett objekt som skall skyddas mot överström. För detta ändamål har skyddet två anslutningsklännnor A och B. Mellan. dessa ligger skyddets båda huvudkomponenter, de antiparallellkopplade tyristo- rerna. TH och T . Vid ostörd drift är dessa ledande, TH för strömriktningen A-B och Tv för motsatt strömriktning, och leder den normala driftströmmen med lågt spänningsfall. Varje tyristor är försedd med en styrkrets.

Styrkretsen för tyristorn TE innefattar en diod Dm och ett motstånd Bm vilka i serie med varandra är kopplade från tyristorns anod till dess styre. Motståndets resistans är så. avpassad att tyristorn tillförs en styr-ström av lämplig storlek så snart anodspäzmingen blir positiv, var- vid tyristorn tänds och för ström med lågt spänningsfall.

Mellan tyristoms styre och katod är en normalt icke-ledande fälteffekt- transistor FH av MOSFEE-typ ansluten. Transistoms styre är via. ett mot- stånd BHZ och tvâ seriekcpplade dioder D32 och DH; och dioden Dm anflluiefi till tyristorns anod. En skyddsdiod ZH av zenertyp är ansluten mellan tran- sistorns styre och tyristorns styre och hindrar transistorns styrspännizxg från att överstiga. diodens zenerspänning. Motståndet B52 har en resistans som begränsar strömmen till ofarligt värde när dioden ZH leder.

Tyristorns Tv styrkrets är identisk med styrkretsen för tyristorn TE, blott med skillnaden att komponenterna i figuren försetts med indices "V" i Stället för "E". ' Puallellt med tyristorerna är en "transistordel" TR inkopplad. _Den är så utformad att den avleder en med ökande tyristorström ökande andel av minoritetsladdzfingsbärarna i tyristorns ena basskikt (se vidare nedan).

Detta medför avtagande strömförstärlming hos tyristorns ena transistpr- sektion och över en viss ström snabbt ökande späzmingsfall över den ledande tyristorn. När spänningen över tyristorn blir lika med summan av diodernas 131, 202 och DB ledspäzuxingsfall och MOS-transistorns F tröskelspäzzrzing blir transistorn ledande. Tyristorns styre kortsluts därigenom till tyristorns katod och tyristorströmmen shuntas förbi tyristorns injicerande katod- emitterövergåz1g, varvid tyristoms totala strömförstärlming sjunker så långt att tyristorn sloclmar. 10 15 20 25 55 7902932-8 Fig 2 visar överströmsslqrddets ström-spänningskarakteristiln Diagrammets första kvadrant gäller t ex när tyristorn TH är ledande och dess tredje kvadrant när tyristorn TV är ledande. Med ökande ström I ökar först spän- ningen U över tyristorn relativt långsamt. När I närmar sig skyddets gränsström Imax börjar tyristorspänningen U p g a transistordelens TR laddningsbäraravledande verkan att stiga allt snabbare. När strömmen nått värdet I max sätt genom att transistorn F blir ledande. Tyristorströnnnen sjunker då till ett mycket lågt värde (tyristorns läckström), medan spänningen U kan stiga till ett värde som bestäms av den krets som skyddet är inkopplat i.

Tyristorerna i skyddet dimensioneras så att deras genombrottsspärming Em med lämplig marginal överstiger den högsta spänning skyddet kan beräknas utsättas för i den krets eller utrustning skyddet är avsett för. och spänningen värdet UT släcks tyristorn på ovan beskrivet Fig 3 visar hur de båda tyristorer-na TH och Tv och transistordelen TR är utbildade i en skiva av halvledande material, företrädesvis kisel. Skivan har en grunddopning av N-typ och derma N-dopade del 1 av skivan utgör N-basen såväl hos tyristorerna som hos transistordelen. Centralt vid skivans övre yta är ett P-dopat skikt 12 och i detta ett Ptdopat skikt 11 anordnade. Rmzt om dessa skikt är ett P-ledande ringfomat 'skikt 14 anord- nat, och i detta ett N+-dopat ring-format skikt 15. Vid skivans undre yta är skikten 21-24 anordnade på. samma sätt som skikten 11-14 på. skivans övre yta.. Skikten 11 och 13 är förbundna med anslutningskläuman A och skikten 21 och 25 med anslutníngsklämman B.

Med "P+-dopat" (P+-ledande) skikt avses ett skikt med kraftigare dopning än ett "P-dopat" (P-ledande) skikt, och motsvarande gäller för ett "Ni"- dopat" och ett "N-dopat" skikt.

Tyristorn TH bildas av skikten 11, 12, 1, 24 och 23. När tyristorn leder flyter strömmen i sidled genom skiktet 1 från skiktet 12 till skiktet 24, vilket är visat med heldragna pilar i figuren. Denna ström utgörs väsent- ligen av från skiktet 12 i skiktet 1 injicerade minoritetsladdningsbärare, dvs hål.

Transistordelen TR utgörs av skiktet 11, 12, 1, 22, 21 och är alltså. av PHP-typ. Vid låg ström genom tyristorn TH är transistordelens undre PN- övergåzxg (mellan skikten 22 och 1) ej spärrande eller svagt injicerande.

Inga, eller blott få, av de från skiktet 12 i skiktet 1 injioerade hålen sugs då upp av övergången. När strömmen genom tyristom ökar, ökar led- spänningsfallet i den, och som följd av den ökade spänningen påtryoks 10 15 20 25 50 7902932-8 i 4 övergången 1-22 en ökande spärrspänning och suger upp en ökande andel av de i skiktet 1 injicerade hålen (streokade pilar i figuren). Strömförstärk- ningen hos tyristorns TH PHP-sektion sjunker därigenom och tyristorn blir sämre utstyrd, vilket tenderar att ytterligare höja. ledspänningen över tyristorn. Härigenom erhålles den i fig 3 visade snabba ölmingen av tyris- torspänningen när strömmen närmar sig gränsvärden Imax.

Gränsvärdet Imax kan :ïnställas genom lämpligt val av laddningsbärarlivs- längden i skiktet 1 i förhållande till det perifera P-skiktets 14 inner- radie och till N-basskiktets 1 tjocklek.

Genom att skiktet 11 med hög injektion är anordnat centralt i skivan fås en i huvudsak lateralt fungerande PlTP-transistordel hos tyristorn TH, och detta ger den ovan beskrivna funktionen.

Tyristorn Tv utgörs av skikten 21, 22, 1, 14, 15 och fungerar på motsva- rande sätt som ovan beskrivits beträffande tyristorn T .

Ett för t ex telefonutrustningar avsett överstrëmsskydd av nu beslosivet slag kan utföras för en gränsström på t ex 200-400 mé. och en genombrotte- spszming på 1ooo v eller mer. slaekspäzmingen (UT i fig 2) kan ställas in till lämpligt värde, t ex någon eller några volt genom att välja antalet i serie med motståndet B32 i fig 1 seriekopplade dioder. I fig 1 har visats två. dioder, DHZ och DH3 (Dvz och DW), men antalet kan vara såväl större som mindre. Överströmsslqddet enligt uppfinningen har visat ' sig vara mycket snabbt och bryter en uppträdande överström på. något eller några tiotal /us.

En till en utrustning inkommande överspänzüng medför normalt en överström i den eller de ledningar på. vilka överspäzmingen inkommer. Ett överströms- skydd enligt uppfinningen kan därför användas som överspänxxingsskydd och ersätta. tidigare använda sådana. I De i fig 1 visade styrkretsarna är för tydlighets skull ej visade i fig 5.

De utförs lämpligen integrerade i samma halvledarkropp som tyristorerna och transistordelen. Figur 4 visar ett exempel på hur detta kan göras.

Skyddet enligt fig 4 är utformat på samma. sätt som visats i fig 3. Halv- leder-skivans undre och övre delar är identiska, och skivan är cirkulär- symmetrisk på samma sätt som den i fig 5 visade. Fig- 4a prisar skivans ena plana yta med gränserna mellan skivans zoner samt vissa av de på. ytan an- ordnade förbindningarna. Fig 4b visar ett snitt genom skivan. I det följande 10 15 20 25 35 7902952- 8 skall endast utformningen av skivans övre yta beskrivas. I denna yta är de komponenter som tillhör sty-rlcretsen för tyristorn Tv utbildade, medan tyristorns TH styrkrets är utbildad på. skivans undre yta.

De i fig 5 visade zonerna. 1, 11-14 återfinns på. fig 4a och fig 4b (och på rig 41» även ekiksen 21-24). skikten 15 een 14 är rmgfemede den em- sluter de centrala skikten 11 och 12. En cirkulär metallkontakt A (ej visad i fig 4a) gör kontakt med skikten 11 och 15 och utgör överströms- skyddets ena anslutning. Kontakten är isolerad från skikten 12, 1, 14 genom ett underliggande kiseldioxidskikt 120. Utanför skiktet 15 är i skiktet 14 utbildat ett Ntdopat skikt 116 och ett intill detta anordnat Plldopat skikt 115. Dessa båda skikt är ringformade med undantag av en eekæer (1111 höger i .sig 4e den db) där zenerdieden zv är utbildad. En elektrisk kontakt 1e (ej visad i rig 4e), 1 ex ev pleuneeilieid, över- bryggar övergången mellan skikten 115 och 116. På ytan är ett isolerande kiseldioxidskikt 121 anordnat, och i detta är MOS-transistorns Fv styre 17 anordnat i form av ett skikt av metall eller polykisel (strecket i fig 4a). Transistorn utgörs av skikten 13, 14 och 116. Det senare är via kon- takten 18 och skiktet 115 ohmskt .förbundet med tyristoms Tv P-bas 14.

Når styret 17 styr transistorn till ledande tillstånd blir därför tyris- torns P-bas 114 förbunden med tyristorns Ifi-emitter 15 genom en lågimpe- div ohmsk förbindelse. Den injicerande emitterövergången 15-14 blir alltså förbikopplad, och tyristorn slocknar.

Vid randen av komponentens övre yta är en randformad Nfldopad zon 16 an- ordnad. Denna. zon utgör den gemensamma punkten (se fig 1) för dioden DW , motståndet RW och diodkopplingen Dvz-Dvš. Dioden DW utgörs av tyristorns Tv anodemitterövergång (22-1). Motståndet En utgörs av ett smalt och lång- sträokt P-dopat skikt i skivans yta. Till vänster i fig 4 ansluter mot- ståndet till tyristorns P-basskikt 14. Till höger i figuren är motståndet ohmskt förbundet med skiktet 16 med hjälp av en kontakt 110.

Zenerdioden Zv utgörs av skiktet 14 och det i dettas hög-a del utbildade Ntdopade skiktet 15. Detta senare skikt är via en kontakt 117 (fig 4a) elektriskt förbundet med transistorns FV styre 17. Motståndet B72 utgörs som motståndet RW av ett långsmalt P-dopat skikt i skivans yta.. Motståndet är i sin me ande (till höger i fis-uden) ehmekt förbundet med ekikzet 15 (och därmed med styret 17) via. en på. isolationsskiktet 124 anordnad kontakt 19. 10 15 20 25 35 7902932-8 I sin yttre ände (till vänster i fig 4) är motståndet Eva via. diodkopp- I lingen (Dvz-Dvš i fig 1) förbundet med randzonen 16. För tydlighets skull är diodkopplingen visad med endast en diod. Denna utgörs av övergången mellan det P-dopade skiktet 111 och det i detta utbildade N+-dopade skik- tet 112. Motståndets Eva yttre ände är genom en på. isolationsskiktet 122 anordnad kontakt 113 förbunden med diodens katodskikt 112. Diodens anode skikt 111 är genom en på. isolationsskiktet 123 anordnad kontakt 114 för- bunden med randzonen 16. I Givetvis kan ytterligare dioder anordnas i serie till godtyckligt antal, och de kan då t ex utbildas i rad efter varandra. utmed skivans periferi.

De i skivans undre yta utbildade styrkretsarna för tyristorn TH har samma utformning som ovan beskrivits. De är i fig 4b försedda med samma hänvis- ningsbeteckningar, blott med första siffran utbytt mot en tvåa. Tyristorns TB. anodkontakt utgörs av metallskiktet B i fig 4b.

Som framgår av fig 4a. är motstånden RW och Rvz anordnade så att de bil- dar ett mönster som täcker ytan mellan skivans centrala del och dess rand, och så att potentialen successivt avtar eller tilltar från den centrala delen ut mot randen. Härigenom erhålles en effektiv styrning av potentialen på skivans yta, lokaliserade påkänningar undviks och komponentens spän- ningstålighet förbättras. Givetvis kan andra mönster tänkas än det i fig 4a visade. Ebcempelvis kan motstånden RW och Rvz utformas som två. inuti varandra mellan skivans centrala del och dess rand löpande spiraler.

Fig 5 visar hur ett överströmsskydd enligt uppfinningen kan utföras i a planartelcxzik. En halvledarskiva har underst enlP+-dopad zon 31 och där- över en N-dopad zon 30. I den senare är en Ifi-dopad zon 32 utbildad, lik- som en P-dopad zon 33 och en i denna utbildad N-F-dopad zon 34. Zonerna 31 och 34 är förbundna med den ena anslutningsklämman IB och zonen 32 med den andra anslutningsklämman A. Zonerna 32, 30, 33, 34 bildar tyristorn. När denna är ledande flyter från skiktet 32 injicerade hål genom skiktet 30 i den heldragxa pilens riktning. Slqrddets transistordel utgörs av zonerna 32, 30 och 31 och avleder vid ökande ledspäzning en ökande andel av hålen (streckad pil) på. samma. sätt som ovan beskrivits i anslutning till fig 1-4.

Styrkretsarna kan på. samma sätt som i fig 4 utbildas i skivans övre yta.

Fig 5 visar en enkelriktadkomponent men den kan givetvis som den i fig 1-4 visade kompletteras så att den kan föra ström i båda riktningarna.

Claims (2)

1. tyristorn integrerade dioder. t 7902932-8 Dioderna DH2 och DE; samt dioderna Dvz och DB kan polvändas och utformas som zenerdioder, vilket kan vara lämpligt om en hög funktionsspäzming (UT) i fig 2 önskas. PATIEITKRAV 1. Tvåpolígt överströmsslcydd för inkoppling i en strömförande ledning, I: ä. n n e t e c k n a. t därav, att det innefattar en normalt ledande släokbar tyristor (TH), vilken innefattar organ (TR) anordnade att ge en snabb ölming av tyristoms ledspänningsfall vid uppnåendet av en förutbestämd nivå, hos tyristorströmmen, samt spänningskännande organ (DBn-DIE) anordnade att avkänna spänningen över tyristorn och att, när denna spänning överskrider en förutbestämd nivå., påverka kortslutande organ (FH) för släclming av tyristorn genom kortslutning av minst en av tyristorns injioerande Phi-övergångar.

2. Överströmsslqydd enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a t därav, att det innefattar en med tyristorn integrerad och med tyristorn paral- lellkopplad transistordel (TR), vilken har sitt basskikt (1) gemensamt med ett av tyristorns basskikt och är anordnad att från detta basskikt avleda en med tyristorspänzüngen ökande andel av de i basskiktet iiljice- rade minoritetsladdningsbärarna. 5. Överströmsslqvdd enligt patentkx-av 1, k ä. n n e t e c k n a t därav, att det kortslutande organet innefattar en med tyristorn integrerad och med en av tyristorns injicerande PN-övergångar parallellkopplad MOS- transistor (FH) för kortslutning av övergången. 4. överströmsslqrdd enligt patentkraven 2 och 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att det spänningskäbnande organet innefattar en mellan MOS-transis- torns styre (27) och det gemensamma basskiktet (1) ansluten diodkopplíng (D32, DIE), vilken består av en eller flera med varandra seriekopplade med 5, Överströmsslqfdd enligt patentlmav 2, k ä. n n e t e o k n a t därav, att det innefattar ett med tyristorn integrerat första motstånd (Bm), vilket är anslutet mellan tyristorns styrskikt (24) och det gemensamma. basskiktet (1) och anordnat att tillföra styrskiktet ström för tändning av tyristorn. \ V .. .- :ß-M. .Q-.a-u-»w-M. ...a-nl 79 d@ 2952- 8 i 6. 'Överströmsslçydd enligt patentlcrav 3, k ä. n n e t e c k n a t därav, att det innefattar en med tyristorn integrerad och mellan tyristorns styrskikt (24) och MOS-transístorns styre (27) ansluten skvddsdiod (ZH). 7. Överströmsslqdd enligt patentkrav 4, k ä. n n e t e c k n a t därav, att det innefattar ett med tyristorn integrerat och i serie med diodkopp- lingen anslutet andra motstånd _ 8. Överströmsslqvdd enligt patentlcrav 1 , k ä n n e t e c k n a t därav, att det innefattar två. med varandra integrerade antiparallellkopplade tyristorer (TH, Tv), var och en med spälnningskännande och kortslutande organ. 9. Överströmsslqrdd enligt patentlcrav 1, k ä. n n e t e c k n a t därav, att de injicerande partierna (12, 25) av tyristorns anod- och katoddelar är lateralt förskjutna i förhållande till varandra. 10. Överströmsskydd enligt patentkzrav 5, k ä' n n e t e c k n a t därav, att tyristom är utbildad centralt i en halvledarskiva, samt att det första och/ eller det andra motståndet är utbildat i skivans yta mellan tyristorn och skivans rand på sådant sätt att motståndet styr potential- fördelningen mellan tyristorn och skivans rand. *