[發明專利]單片集成的半導體開關、尤其是功率斷路開關

有效

• 申請號: 201710307781.2
• 申請日: 2017-05-04
• 公開（公告）號: CN107395171B
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: A·許爾內爾;T·埃爾巴赫爾
• 申請（專利權）人: 弗勞恩霍弗應用技術研究院
• 主分類號: H03K17/041
• 分類號: H03K17/041;H03K17/72;H03K17/687;H01L27/06;H01L27/098
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 侯鳴慧

本發明涉及一種具有再生關斷行為的、單片集成的半導體開關，尤其是功率斷路開關。半導體開關具有呈單片集成形式的兩個場效應晶體管，例如一個p?JFET和一個n?JFET。兩個JFET的源極以及n?JFET的阱區短接。此外，兩個JFET的柵極以及p?JFET的漏極通過陰極短接。而p?JFET的阱區與陽極短接。由此實現單片集成的半導體開關，該半導體開關在超過確定的陽極電壓或確定的陽極電流時自動關斷。陽極電壓和陽極電流的極限值可以通過構件的尺寸確定。由此可以在快速響應行為時實現直到200kV的截止強度。

技術領域

本發明涉及一種單片集成半導體開關、尤其是功率斷路開關，具有第一和第二單片集成的場效應晶體管，其中，第一場效應晶體管的源極或發射極與第二場效應晶體管的源極或發射極短接，第一場效應晶體管的漏極或集極與第一電壓接頭連接，并且第二場效應晶體管的漏極或集極與半導體開關的第二電壓接頭連接。

半導體開關作為功率斷路開關例如使用于限界和關斷電網中的過電流。在電網內部出現短路時負載電流僅由電網的阻抗限界。產生過電流，由該過電流引起所連接負載的顯著熱負荷。為了避免由此對所述負載產生的損害，對過電流的快速限界和關斷是必需的，同時也應避免電弧點燃。

背景技術

在能量傳輸技術中，所述問題至今典型地通過使用機械式功率斷路開關解決。該功率斷路開關用于接通和斷開運行電流以及用于在故障情況下關斷短路電流。在正常運行中，該功率斷路開關必須既引導所有運行電流而且又承受在此產生的熱和動態載荷。在短路情況下，功率斷路開關必須盡可能突然并且可靠地關斷電流通路，由此不損壞或破壞隨后的運行器件。在此，斷開點必須在相鄰導體之間形成防擊穿的隔離段。

在機械式功率斷路開關中，連接件在故障情況下通過機械杠桿相互斷開。在此，在接觸區域中的電流密度如此大，使得形成熔絲連接(Schmelzbrücke)。由此在接點之間產生的電弧首先使電路保持閉合。在交流電流中電弧在電壓交零時熄滅。但是為了在電壓重新上升時電弧不會重新點燃，則必須對電弧段進行去離子化。這通過借助于滅火劑如SF₆的電弧冷卻或通過真空實現。開關過程可以持續多個周期。在關斷過程期間電流快速增加并且根據關斷持續時間總是繼續接近沖擊電流的幅度。幅度的大小與網結構和在其中可用的短路功率有關。在此，從檢測到電流通路完全斷開的總時間可以持續遠超過100ms。在該時期內過電流流經隨后的運行器件，該運行器件為此必須也針對該過電流確定尺寸。為了減少過電流負載，功率開關必須更快地關斷。但是過快的開關過程在機械式斷路開關中增大電弧強度，由此需要附加的用于熄滅的能量并且使接觸磨損推進。因此困難的是，通過機械式開關實現短的開關時間。

用于解決上述問題的另一可能性為使用基于半導體的功率斷路開關。該開關能夠在幾微秒內關斷。此外，該開關不形成電弧，使得不需要附加的滅火劑。由于缺少可運動部件，該開關是低磨損和易維護的并且由于其緊湊結構也是節省位置的。基本上這種功率斷路開關由多個并聯的或串聯的單個構件尤其是晶閘管、柵極可關斷晶閘管(GTO)和隔離柵雙極晶體管(IGBT)組成。因為功率斷路開關在該應用中主要在打開狀態下運行，在第一近似中保持不考慮開關損耗和截止性能。因此，LGBT由于其與晶閘管相比顯著較高的導通損耗而不適合。晶閘管由于其小的導通損耗顯得更適合并且可得到直到8kV的截止電壓。點燃通過小的柵電流或通過光脈沖實現。為了滅火必須不超過確定的保持電流。這在交流電流中通過超過交零自動進行。但是必須保持一定的游離時間，在該游離時間中剩余的載流子從空間載荷區中清除出去。這可以持續直到100μs。在該時間內必須限制電壓的再增大，因為否則晶閘管自動地再點燃。但是游離時間通過正向電流的增大或者在溫度升高時延長。此外要注意的是，晶閘管由于交零需要持續的點燃信號。與此相反地，柵極可關斷晶閘管(GTO)通過后面的控制電流關斷。但是這不能僅通過半導體的內部結構實現，而是需要附加的RCD電路，以便在關斷時限制電壓的再增大。在這種功率開關中的問題是，在截止運行中不產生電流隔離。即使在截止運行中還總是有在毫安范圍內的小的反向電流流動。