[发明专利]大功率开关

说明书

本发明属于大功率电子学这一范畴，特别是涉及到一种大功率开关。这种开关包括一个可以通过控制栅进行截断的半导体元件以及一个为了进行截断而产生所需要的控制栅流的控制单元。

依据专利EP-A20077930（图3），公开了这一种功率开关。

在大功率电子学领域中在只有低于某一维持电流以后才能处于闭锁状态的传统可控硅中增加直接通过控制栅而进行截断的元件是很重要的。

这种截断元件的现有类型有多种，例如GTO型（矩形脉冲断开可控硅），FCTh型（场控制可控硅）以及SITh型（静电感应可控硅）。

在GTO型，FCTh型，SITh型以及类似的双极大功率元件中，截断时在短时间内需要很大的控制栅流。

这种控制栅流必须由电压相当低的电源来提供，这样才不致于由于雪崩击穿而使元件的栅极-阴极段遭到破坏。因此，就要求控制回路在同样有很高的脉冲承载能力的情况下其电感要尽可能小。

到目前为止满足这些要求的控制方案是很少的，采用中央栅或环型栅这种适当的栅极点接触结构，这种方案（见DE-OS3134074）就能在半导体衬底上，即控制侧元件的表面上实现栅流的均匀分布。

然而，用不着费力地去考虑截断所需的控制单元的类型和结构，因为要配置例如带有电源和所属开关的控制单元作为组合单元要远离原有的元件。

在这种组合时需要很长的导线，这样就产生了不希望有的回路电感，而且限制了可达到的电流上升速度dI/dt的值（见：西门子元件25（1987），24-26页）。

在GTO型截断元件中，尽管人为上升截断电流增益ITGQM/IGQ大于4，截断滞后时间t_s远远大于下降时间t_f。因为GTO型截断元件控制过程太慢，因而一部分被截断而另外的部分还充满着载流子，这就需要设置电流灯丝。

依据电气的相似性在FCTh型中也有灯丝结构的机械装置。已有的FCTh型截断元件用大的栅流（截断增益小于1）和很高的栅流变化速率dIG/dt（I_G＝栅流）来控制相当小的功率（10A）。这样在栅极与阳极间产生空间电荷带之前就中断了通过阴极向整个区域中注入电子，因而完全避免了丝极的形成。

使用大型电力逆变器时，要求FCTh型截断元件有较大的功率（500A-3000A），对控制单元的要求相应地提高了，这时控制回路的电感必须降到50-300倍左右。

这种减小通过简单的串级，如EP-A0246478所建议的那样是无法达到的，因为到目前为止可以使用的最好的电容器（5nH），其固有电感已明显地超过所要求的小于1nH的值。

本发明所要解决的问题是制造一个大功率开关，采取适当的措施在控制方面十分有效地减小限制电流增长的控制回路的电感。

这一问题在开始所述的那种类型的大功率开关中得到解决，控制单元被分成几个并行工作的子单元，均可产生为了截断所需的部分栅流。

本发明的核心是通过几个子单元的并联来削弱子单元中控制元件固有电感的影响。

根据本发明的一个可供选择的实施例，可截断的半导体元件有一个空间分布的栅极，单个的子单元装在其不同的位置上。

因此，控制单元和栅极间的导线并联连结，电感因而大大减小。

特别有利的是子单元尽可能被放置到元件附近，特别是集中到外壳中。

本发明的其他实施例由权利要求来说明?

下面根据实施例用图对本发明做一详尽说明。其中：

图1，带有截断可控硅的大功率开关原理图，

图2，GTO型技术状况示例，

图3A，B，控制单元技术状况的二种实施例，

图4，本发明第一实施例的控制单元，

图5，本发明第二实施例中大功率开关的顶视图和剖面图，

图6，本发明另一实施例中大功率开关的阴极部份结构剖面图。

图1给出了具有截断可控硅的大功率开关的原理图。截断可控硅1与其阳极A和阴极K一起处于未标示的主回路中。

在截断可控硅的控制栅G和阴极K之间接有控制单元AS，通常它不仅含有可控硅的接通手段而且含有截断手段。因为本发明只涉及到截断时遇到的问题，因而在本图和其他图中只涉及截断电流回路。

这个截断电流回路原则上包括一个可控开关3和一个电源4，它们串联连结。另外，要注意还有一个电感2，这一电感包括控制单元元件的固有电感以及到栅极G的引线的电感。