Полупроводниковый ключ с повышенной стойкостью к скорости нарастания анодного тока


H01L29 - Полупроводниковые приборы для выпрямления, усиления, генерирования или переключения, а также конденсаторы или резисторы, содержащие по меньшей мере один потенциальный барьер, на котором имеет место скачкообразное изменение потенциала, или поверхностный барьер, например имеющие обедненный слой с электронно-дырочным переходом или слой с повышенной концентрацией носителей; конструктивные элементы полупроводниковых подложек или электродов для них (H01L 31/00-H01L 47/00,H01L 51/00 имеют преимущество; способы и устройства для изготовления или обработки приборов или их частей H01L 21/00; конструктивные элементы иные чем полупроводниковые приборы или электроды для них H01L 23/00; приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированные на одной общей подложке или внутри нее, H01L 27/00; резисторы

 

Область применения: преобразовательное оборудование для управления электромоторами, передачи электрической энергии, компенсации реактивной мощности, индукционного нагрева, питания гальванических ванн, другое электрооборудование, где требуется коммутация импульсов тока больших мощностей с крутыми фронтами. Техническим результатом полезной модели является улучшение его технических характеристик - повышение стойкости к скорости нарастания анодного тока, уменьшение времени включения, повышение помехоустойчивости, увеличение коммутируемой мощности. Технический результат достигается за счет создания в кремниевой структуре специальных контуров металлизации центрального управляющего электрода, внутренней n+-эмиттерной области катода вспомогательной структуры регенеративного управляющего электрода и внутренней металлизации регенеративного управляющего электрода в виде элементов волнообразной формы, соединенных между собой. Это позволяет увеличить на 50-60% площадь первоначального включения структуры без уменьшения активной площади прибора. Данное техническое решение позволяет в 1,5 раза увеличить стойкость полупроводниковых ключей к скорости нарастания анодного тока, исключить сбои в работе электрооборудования, повысить надежность преобразователей и системы в целом.

Предлагаемая полезная модель относится к области разработки и производства силовых полупроводниковых приборов и может быть использована в конструкции мощных полупроводниковых ключей тиристорного типа, таких как, тиристоры, фототиристоры и др.

На сегодняшний день имеется большое разнообразие схем мощных преобразователей электрической энергии, в которых есть режимы коммутации тока ключами со значительными скоростями его нарастания. К ним следует отнести: тяговые электропривода электровозов и прокатных станов, компенсаторы реактивной мощности, мощные физические установки и др. В этих преобразователях требуемые скорости нарастания анодного тока (di/dt) составляют: на частоте 50 Гц - порядка 300500 А/мкс; на частоте до 5 Гц - 10002000 А/мкс. Несоответствие параметра (di/dt)crit полупроводникового прибора реальным схемным скоростям нарастания тока приводит к выходу из строя ключа и часто к аварии всего преобразователя.

Известно техническое решение [1], согласно которому в конструкции зоны управления полупроводникового элемента силового тиристора, изготавливаемого на основе монокристаллического кремния n-типа проводимости, используется вариант регенеративного управления с центральным управляющим электродом (фиг.1). Основными элементами конструкции зоны управления изделия являются:

- основная 1 р-n-р-n+ и вспомогательная 2 n+ -р-n-р- структуры изготавливаются одновременно диффузионными способами:

- алюминиевая металлизация центрального управляющего электрода 3 выполнена в виде круга, контуром 4 которого является окружность с центром, совмещенным с центром полупроводникового элемента;

- n+-эмиттерная область вспомогательной структуры 5, частично покрытая алюминиевой металлизацией 6, выполнена в форме кольца с центром, совмещенным с центром полупроводникового элемента;

- внутренний контур металлизации 7 и внутренний контур n+-эмиттерной области 8 выполнены в виде концентрических окружностей;

- n+ -эмиттерная область 9 основной структуры выполнена также в виде кольца, соосного с n+-эмиттерной областью вспомогательной структуры 5;

- центры шунтов 10 n+-р-эмиттерного перехода вспомогательной структуры расположены равномерно по окружности, имеющей общий центр с центром полупроводникового элемента.

Максимально допустимые значения (di/dt) crit для этой конструкции составляют: на частоте 50 Гц - 200 А/мкс; на частоте 5 Гц - 1000 А/мкс.

Недостатком данной конструкции является малая площадь первоначального включения тиристора и значительная энергия, выделяемая в нем в следствии этого на начальном этапе включения. Это может привести при больших скоростях нарастания анодного тока к локальному перегреву в области вспомогательной структуры и выходу прибора из строя.

Целью полезной модели является повышение стойкости полупроводникового ключа к воздействию повышенных скоростей нарастания анодного тока при включении.

Указанная цель достигается за счет того, что полупроводниковый ключ (фиг.2) содержит основную кремниевую р-n-р-n+ структуру 1 с металлизированным центральным управляющим электродом 2 и вспомогательную n +-р-n-р- структуру 3, имеющую n+-эмиттерную область 4, металлизированный катод 5 и шунты 6 n+-р перехода, расположенные по окружности, причем контур металлизации центрального управляющего электрода 7, внутренний контур n +-эмиттерной области катода 8 и внутренний контур металлизации катода 9 выполнены в виде элементов волнообразной формы, соединенных между собой. Элементы контуров могут быть выполнены в виде дуг окружностей R1, R2, R3, имеющих один общий центр, совпадающий с центром шунта n+-р-эмиттерного перехода вспомогательной n+-р-n-р структуры.

Данное техническое решение увеличивает на 50-60% площадь первоначального включения тиристорной структуры без уменьшения активной площади прибора. Это позволяет повысить стойкость полупроводниковых ключей к скорости нарастания анодного тока в 1,5-2 раза, а также уменьшить время включения и повысить помехоустойчивость,

Проведенные испытания тиристоров с использованием предлагаемого технического решения показали, что устойчивость к воздействию скорости нарастания анодного тока при включении ключа составляет:

(di/dt)crit=500 A/мкс при f=50 Гц;

(di/dt)crit=2000 A/мкс при f=5 Гц.

Данное улучшение параметров полупроводниковых ключей повысит технические характеристики и надежность преобразовательного оборудования и системы в целом.

Источники информации

[1] Блихер А. Физика тиристоров: Пер. с англ. / Под. Ред. И.В.Грехова. - Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - с.111.

1. Полупроводниковый ключ с повышенной стойкостью к скорости нарастания анодного тока, представляющий собой основную кремниевую p-n-p-n+-структуру с металлизированным центральным управляющим электродом и вспомогательную n+-p-n-p-структуру, имеющую n+-эммитерную область, металлизированный катод и шунты n+-p-перехода, расположенные по окружности, отличающийся тем, что контур металлизации центрального управляющего электрода, внутренний контур n+-эмиттерной области катода и внутренний контур металлизации выполнены из элементов волнообразной формы, соединенных между собой.

2. Полупроводниковый ключ по п.1, отличающийся тем, что элементы контуров выполнены в виде дуг окружностей, имеющих один общий центр, совпадающий с центром шунта n+-p-эмиттерного перехода вспомогательной n+-p-n-p-структуры.



 

Похожие патенты:

Мощный полупроводниковый прибор для высокочастотного переключения для применения в высокочастотных преобразователях радиоэлектронной и радиотехнической аппаратуры. Основной технической задачей предложенной полезной модели мощного полевого транзистора является повышение частотных и динамических свойств, токовых и температурных характеристик, надежности мощных полупроводниковых приборов для высокочастотного переключения на основе транзисторно-диодных интегральных сборок.

Модель представляет собой цепочку из последовательно соединенных батарей конденсаторов и реактора, а также пары встречно-параллельно соединенных тиристоров. Применяется в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, ЖКХ и других отраслях для снижения потребления реактивной мощности и улучшения качества потребляемой электроэнергии.

Полезная модель относится к устройствам для получения электрической энергии и может найти применение в магнитогидродинамических генераторах, для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, в датчиках направления и скорости ветра, в термоэмиссионных преобразователях для повышения коэффициента полезного действия (КПД). Технический результат: обеспечивается получение электрической энергии за счет перемещения электрически заряженных частиц через магнитопровод.
Наверх