[发明专利]片式晶闸管和片式晶体管及其应用技术

说明书

1.技术领域

本发明是在“断流开关”发明专利(专利号：ZL01134456.3)的基础上，对其权利要求 2中“如权利要求1所述的断流开关，其特征是所述的微型开关装置，是用晶闸管的芯片和 微型控制电路装配的电子式断流器……”，根据无弧断流理论和半导体理论，应用新颖的电力 电子技术，研制出片式晶闸管和片式晶体管，以及独特的应用技术——和电力开关并联配套 可实现无弧操作。为半导体领域中的晶闸管和晶体管这两个大家族，各增加了一个派生的分 支体系。为电力开关领域中的无电弧分合闸的高分断技术和安全防爆技术，以及消除操作过 电压对电网严重污染的环保技术和消除电弧电波污染空间电磁场的环保技术，对显著提高供 电质量和电力开关的使用寿命以及开关触头节约大量贵金属材料的技术，均提供了不断创新 的技术条件。

2.背景技术

从20世纪50年代到现在，电力电子器件的发展经历了四个阶段：第一阶段是整流器时 代，第二阶段是晶闸管时代，第三阶段是IGBT和MOSFET时代，第四阶段是POWER IC 时代。这四个阶段的发展不是新一代器件取代旧一代器件，而是在每一个阶段，各类电力电 子器件都有所新的发展。近些年来又出现了片式半导体器件，片式晶闸管和片式晶体管是在 晶闸管和晶体管这两个大家族的基础上研制的一类新型的薄片式电力电子器件，也可称其为 半导体基片。其体积和重量在同等容量的条件下，可减少数倍甚至十多倍，成本也能成倍减 少；比起片式二极管和片式三极管，在电压等级和电流容量方面能提高一、两个数量级。但 片式晶闸管和片式晶体管不能独立投入运行，需要和各类电力开关并联配套，由于其体积和 重量的显著减少，可以安装在现有的标准配电柜中，不需要非标专用配电柜，可以节约较大 的安装位置和安装成本。由于电力电子器件的耐压特性和过载能力都很差，特别是这种片式 器件的热容量小、散热能力很差，只能在很短的时间内瞬间导通电流后，需要较长时间的间 歇。例如每次通电时间不超过10毫秒，需要间歇1.5秒——3秒或更长的时间，间歇比达到 150倍——300倍以上，不能产生热积累就不会造成热击穿。所以片式晶闸管和片式晶体管的 应用技术比较独特，这是本发明需要特别强调的一项防止热击穿而损坏的应用技术。片式晶 闸管和片式晶体管的显著优点是和电力开关并联配套运行不消耗电能，并可以无电弧的分、 合电路。

现有的各种有触点的电力开关，在其分、合闸的操作过程中都会发生电弧，电弧可以产 生操作过电压，是原供电系统的1——3倍，严重地污染了电力系统的电压波形和供电质量。 这种过电压对该供电系统中的供、用电装置的绝缘寿命，造成了较大的危害；严重时可造成 突发性的停电事故，事故状态下的供电中断会造成电能的大量浪费。另外，电弧可产生高次 谐波的电磁发射，对空间电磁场造成了较大污染，干扰了无线电遥控信号和无线电通讯电波。 还有一个方面，就是电弧在易燃易爆的化工场所，或煤矿井下容易引发爆炸事故。现有的各 种有触点的电力开关，其分、合闸的固有动作时间本身都很短，从10多个毫秒到几十个毫秒； 特别是动静触头的闭合瞬间和分离瞬间，其时间就更短了，在几个毫秒之内就能完成可靠地 闭合或分离。将片式晶闸管或片式晶体管器件和电力开关装置巧妙的并联配套，充分发挥了 晶闸管和晶体管无触点分合电路而不产生电弧的突出优点，以及电力开关运行时不耗电的显 著优点。克服了晶闸管或晶体管运行时的消耗电能的缺点，以及电力开关分、合闸时形成电 弧而产生操作过电压和高频电磁波的缺点。而且这种应用技术，也不会引起晶闸管和晶体管 产生换相过电压的情况发生。其环境保护的功效，安全防爆的功效和节约电能的功效是显而 易见的。

3.发明内容

3.1.片式晶闸管和片式晶体管的研制技术

3.1.1.片式晶闸管和片式晶体管的核心部件

(1).在各种类型晶闸管或晶体管的制造过程中，从单晶硅片经过一系列的工艺流程， 先制成管芯后，再封装到管壳中，才能制出成品。在这里我们把未封装前的管芯，这种半成 品称作为晶闸管芯片或晶体管芯片。