[發明專利]片式晶閘管和片式晶體管及其應用技術

有效

• 申請號: 200910218527.0
• 申請日: 2009-10-27
• 公開（公告）號: CN101697347A
• 公開（公告）日: 2010-04-21
• 發明（設計）人: 劉衛歧;劉卓明;曹海峰;馮安家;劉卓平;陳誠
• 申請（專利權）人: 劉衛歧
• 主分類號: H01L23/48
• 分類號: H01L23/48;H01L21/60;H01H9/30
• 代理公司: 暫無信息
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1.技術領域

本發明是在“斷流開關”發明專利(專利號：ZL01134456.3)的基礎上，對其權利要求 2中“如權利要求1所述的斷流開關，其特征是所述的微型開關裝置，是用晶閘管的芯片和 微型控制電路裝配的電子式斷流器……”，根據無弧斷流理論和半導體理論，應用新穎的電力 電子技術，研制出片式晶閘管和片式晶體管，以及獨特的應用技術——和電力開關并聯配套 可實現無弧操作。為半導體領域中的晶閘管和晶體管這兩個大家族，各增加了一個派生的分 支體系。為電力開關領域中的無電弧分合閘的高分斷技術和安全防爆技術，以及消除操作過 電壓對電網嚴重污染的環保技術和消除電弧電波污染空間電磁場的環保技術，對顯著提高供 電質量和電力開關的使用壽命以及開關觸頭節約大量貴金屬材料的技術，均提供了不斷創新 的技術條件。

2.背景技術

從20世紀50年代到現在，電力電子器件的發展經歷了四個階段：第一階段是整流器時 代，第二階段是晶閘管時代，第三階段是IGBT和MOSFET時代，第四階段是POWER?IC 時代。這四個階段的發展不是新一代器件取代舊一代器件，而是在每一個階段，各類電力電 子器件都有所新的發展。近些年來又出現了片式半導體器件，片式晶閘管和片式晶體管是在 晶閘管和晶體管這兩個大家族的基礎上研制的一類新型的薄片式電力電子器件，也可稱其為 半導體基片。其體積和重量在同等容量的條件下，可減少數倍甚至十多倍，成本也能成倍減 少；比起片式二極管和片式三極管，在電壓等級和電流容量方面能提高一、兩個數量級。但 片式晶閘管和片式晶體管不能獨立投入運行，需要和各類電力開關并聯配套，由于其體積和 重量的顯著減少，可以安裝在現有的標準配電柜中，不需要非標專用配電柜，可以節約較大 的安裝位置和安裝成本。由于電力電子器件的耐壓特性和過載能力都很差，特別是這種片式 器件的熱容量小、散熱能力很差，只能在很短的時間內瞬間導通電流后，需要較長時間的間 歇。例如每次通電時間不超過10毫秒，需要間歇1.5秒——3秒或更長的時間，間歇比達到 150倍——300倍以上，不能產生熱積累就不會造成熱擊穿。所以片式晶閘管和片式晶體管的 應用技術比較獨特，這是本發明需要特別強調的一項防止熱擊穿而損壞的應用技術。片式晶 閘管和片式晶體管的顯著優點是和電力開關并聯配套運行不消耗電能，并可以無電弧的分、 合電路。

現有的各種有觸點的電力開關，在其分、合閘的操作過程中都會發生電弧，電弧可以產 生操作過電壓，是原供電系統的1——3倍，嚴重地污染了電力系統的電壓波形和供電質量。 這種過電壓對該供電系統中的供、用電裝置的絕緣壽命，造成了較大的危害；嚴重時可造成 突發性的停電事故，事故狀態下的供電中斷會造成電能的大量浪費。另外，電弧可產生高次 諧波的電磁發射，對空間電磁場造成了較大污染，干擾了無線電遙控信號和無線電通訊電波。 還有一個方面，就是電弧在易燃易爆的化工場所，或煤礦井下容易引發爆炸事故。現有的各 種有觸點的電力開關，其分、合閘的固有動作時間本身都很短，從10多個毫秒到幾十個毫秒； 特別是動靜觸頭的閉合瞬間和分離瞬間，其時間就更短了，在幾個毫秒之內就能完成可靠地 閉合或分離。將片式晶閘管或片式晶體管器件和電力開關裝置巧妙的并聯配套，充分發揮了 晶閘管和晶體管無觸點分合電路而不產生電弧的突出優點，以及電力開關運行時不耗電的顯 著優點。克服了晶閘管或晶體管運行時的消耗電能的缺點，以及電力開關分、合閘時形成電 弧而產生操作過電壓和高頻電磁波的缺點。而且這種應用技術，也不會引起晶閘管和晶體管 產生換相過電壓的情況發生。其環境保護的功效，安全防爆的功效和節約電能的功效是顯而 易見的。

3.發明內容

3.1.片式晶閘管和片式晶體管的研制技術

3.1.1.片式晶閘管和片式晶體管的核心部件

(1).在各種類型晶閘管或晶體管的制造過程中，從單晶硅片經過一系列的工藝流程， 先制成管芯后，再封裝到管殼中，才能制出成品。在這里我們把未封裝前的管芯，這種半成 品稱作為晶閘管芯片或晶體管芯片。