ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СИММЕТРИЧНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H01L29/861 

Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использовано при конструировании полупроводниковых симметричных ограничителей напряжения с малым значением динамического сопротивления.

Известно, что для защиты от перенапряжений и равномерного деления напряжения между последовательно включенными силовыми полупроводниковыми приборами параллельно каждому из них подключают сверхнелинейные оксидно-цинковые резисторы (варисторы). Их недостатком является то, что с ростом протекающего через них тока напряжение на них возрастает и при величинах тока более нескольких ампер (I_R≤10 A) становится недопустимо большим [1].

Известен также симметричный полупроводниковый ограничитель напряжения, имеющий транзисторную р-n-р-структуру [2]. Ограничитель, также как варистор, подключается параллельно мощному полупроводниковому прибору, который необходимо защитить от перенапряжения. После того как нарастающее напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору и ограничителю напряжения, достигнет напряжения лавинного пробоя обратно смещенного р-n перехода ограничителя напряжения, в нем начнется лавинный пробой и величина его динамического сопротивления резко снизится. Это позволяет сохранить величину напряжения на защищаемом приборе приемлемой до величины токов в несколько десятков ампер (I_R≤100 А).

Однако для защиты от перенапряжений современных импульсных полупроводниковых приборов, в частности, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или запираемые тиристоры (GTO, IGCT), необходимо, чтобы ограничитель напряжения имел высокое рабочее напряжение и был способен пропускать импульсный ток в сотни ампер (I_R≤1000 A) без существенного увеличения напряжения на нем, что не способны обеспечить известные ограничители напряжения [2].

Задача данного изобретения - уменьшение динамического сопротивления высоковольтных полупроводниковых симметричных ограничителей напряжения (в дальнейшем - высоковольтный ограничитель напряжения).

Указанная задача достигается тем, что высоковольтный ограничитель напряжения выполняется состоящим из n одинаковых последовательно включенных низковольтных р-n-р или n-р-n симметричных ограничителей напряжения, количество которых (n) определяется из соотношения

где U_BRmino - минимальное пробивное напряжение ограничителя напряжения;
r_{обр.дин.о} - динамическое сопротивление одноэлементного ограничителя напряжения с минимальным пробивным напряжением, равным U_BRmino;
I_RSM - максимально допустимое значение амплитуды неповторяющегося импульсного обратного тока, который может протекать через ограничитель напряжения при его работе;
U_доп - максимально допустимое значение величины напряжения, которое может возникать на ограничителе напряжения при протекании через него тока I_RSM,
при этом величина минимального пробивного напряжения U_BRmin каждого из n одинаковых последовательно включенных низковольтных симметричных (р-n-р, n-р-n) ограничителей напряжения определяется из соотношения

На фиг. 1 изображен вариант конструкции предлагаемого высоковольтного ограничителя напряжения, где
1 - первый низковольтный симметричный р₁₁-n₁-p₁₂ ограничитель напряжения, содержащий базовую область n-типа (n₁) и две одинаковые эмиттерные области р-типа - р₁₁ и р₁₂;
2 - второй низковольтный ограничитель напряжения, содержащий базовую область n- типа (n₂) и эмиттерные области р-типа p₂₁ и р₂₂;
3 - область соединения первого и второго низковольтного ограничителя напряжения;
4 - область соединения n-ного низковольтного ограничителя напряжения и предыдущего низковольтного ограничителя напряжения;
5 - последний (n-ный) низковольтный ограничитель напряжения, содержащий базовую область n-типа (n_n), эмиттерные области р-типа (p_n1 и р_n2);
6, 7 - омические контакты к первому и последнему ограничителю напряжения.

У всех n-последовательно соединенных низковольтных ограничителей напряжения базовые области имеют одинаковую толщину и удельное сопротивление, а все эмиттерные области имеют одинаковый профиль концентрации легирующей примеси.

На фиг.2 показан другой вариант высоковольтного ограничителя напряжения, где
1 - первый низковольтный симметричный n₁₁-p₁-n₁₂ ограничитель напряжения, содержащий базовую область р-типа (p₁) и две одинаковые эмиттерные области n-типа - n₁₁ и n₁₂;
2 - второй низковольтный ограничитель напряжения, содержащий базовую область р-типа (р₂) и эмиттерные области n-типа n₂₁ и n₂₂;
3 - область соединения первого и второго низковольтного ограничителя напряжения;
4 - область соединения n-ного низковольтного ограничителя напряжения и предыдущего низковольтного ограничителя напряжения;
5 - последний (n-ный) низковольтный ограничитель напряжения, содержащий базовую область р-типа (р_n), эмиттерные области n-типа (n_n1 и n_n2);
6, 7 - омические контакты к первому и последнему ограничителю напряжения.

У всех n-последовательно соединенных низковольтных ограничителей напряжения базовые области также имеют одинаковую толщину и удельное сопротивление, а все эмиттерные области имеют одинаковый профиль концентрации легирующей примеси.

Предлагаемая конструкция, изображенная на фиг.1, работает следующим образом.

При приложении к ограничителю напряжения разности потенциалов прямой полярности так, что отрицательный потенциал прикладывается к омическому контакту 6, а положительный потенциал к омическому контакту 7, на всех ограничителях напряжения верхние р-n-переходы (р₁₁-n₁, р₂₁-n₂, -----, P_п1-n_п) окажутся под обратным напряжением и в их окрестности начнет образовываться область объемного заряда, через ограничитель начнет протекать обратный ток I_R.

На фиг. 3 представлена вольтамперная характеристика высоковольтного ограничителя напряжения.

До тех пор, пока величина напряжения, приложенного к ограничителю напряжения, будет меньше, чем U_BRminо, в обратно смещенных р-n переходах низковольтных ограничителей не будет лавинного пробоя, и их динамическое сопротивление, а также динамическое сопротивление высоковольтного ограничителя будет очень большим.

После того как напряжение на высоковольтном ограничителе напряжения достигнет величины U_BRmino, в нем начнется лавинный пробой. При этом его динамическое сопротивление резко снизится (участок АВ - фиг.3) и в основном оно будет определяться величиной дифференциального сопротивления обратносмещенных р-n переходов, находящихся в состоянии лавинного пробоя.

В [3] показано, что при больших плотностях лавинного тока (j≥10 A/см²) величина дифференциального сопротивления р-n перехода обратно пропорциональна квадрату его напряжения пробоя. Поэтому при снижении напряжения пробоя у ограничителя напряжения в n раз его дифференциальное сопротивление снизится в n² раз. И, следовательно, ограничитель напряжения, состоящий из n-последовательно соединенных низковольтных ограничителей, будет иметь динамическое сопротивление (r_{обр.дин.n}) в n раз меньше, чем динамическое сопротивление (r_{обр.дин.о}) одного ограничителя с таким же напряжением лавинного пробоя, т.е.

Ограничители напряжения характеризуются максимально допустимым значением амплитуды неповторяющегося импульсного обратного тока (I_RSM), который может протекать через ограничитель напряжения при его работе.

Для того чтобы ограничитель напряжения защищал от перенапряжений включенный параллельно ему прибор при протекании через него тока I_RSM нужно, чтобы величина напряжения на нем (U_BRSMо) не превышала допустимое значение напряжения U_доп., т.е. выполнялось соотношение
U_BRSMo≤U_доп. (4)
Поскольку предлагаемый ограничитель напряжения состоит из n последовательно включенных низковольтных ограничителей напряжения, величину U_BRSMo можно определить из соотношения

Подставляя в соотношение (5) соотношение (4), получим соотношение (1).

Поскольку все р-n переходы низковольтных ограничителей одинаковы, то напряжение, приложенное к высоковольтному ограничителю напряжения, делится между ними поровну. Поэтому, для того чтобы высоковольтный ограничитель напряжения имел требуемое значение минимального пробивного напряжения U_BRmino, величину минимального пробивного напряжения каждого низковольтного ограничителя напряжения нужно выбирать из соотношения (2).

При приложении к высоковольтному ограничителю напряжения разности потенциалов обратной полярности, так что отрицательный потенциал прикладывается к омическому контакту 7, а положительный потенциал - к контакту 6, на всех низковольтных ограничителях напряжения нижние р-n переходы окажутся под обратным потенциалом. Поскольку верхние и нижние р-n переходы низковольтных ограничителей напряжения одинаковы, то вольтамперная характеристика высоковольтного ограничителя напряжения будет симметричной при приложении к нему напряжения обратной и прямой полярности - участки ОС, СД и ОА, АВ - фиг.3, а протекающие в нем процессы будут аналогичны описанным выше.

В высоковольтном ограничителе напряжения, изображенном на фиг.2, базовые области низковольтных ограничителей напряжения имеют р-тип проводимости, а эмиттерные - n-тип. Поэтому при приложении к высоковольтному ограничителю напряжения разности потенциалов прямой полярности напряжение будет прикладываться к нижним р-n переходам (p₁-n₁₂, р₂-n₂₂, p_п-n_п2), а при приложении обратной полярности - к верхним.

В остальном работа высоковольтного ограничителя напряжения, у которого низковольтные ограничители напряжения имеют базовую область р-типа, аналогична работе высоковольтного ограничителя напряжения, у которого низковольтные ограничители напряжения имеют базовую область р-типа.

В соответствии с предлагаемым изобретением был спроектирован ограничитель напряжения с U_BRmino, равным 1200 В, величиной I_RSM, равной 750 А. При этом величина U_доп составляла 1340 В. Мощность, которую должен был рассеивать данный прибор при его работе, составляла 500 Вт. Исходя из величины рассеиваемой мощности, было определено, что выпрямительный элемент высоковольтного ограничителя напряжения должен иметь диаметр 24 мм. Был изготовлен одноэлементный ограничитель напряжения с U_BRmino=1200 B. На нем были проведены измерения величины r_{обр.дип.о}, которое оказалось равным 0,45 Ом.

В соответствии с требуемым заданием из соотношения (1) следует, что

Из соотношения (6) легко найти, что у предлагаемого ограничителя напряжения величина n должна быть не менее 3.

При этом из соотношения (2) следует, что величина

В соответствии с проведенным расчетом была изготовлена партия предлагаемых высоковольтных ограничителей напряжения, каждый из которых состоял из трех последовательно включенных низковольтных симметричных р-n-р-ограничителей напряжения. Величина r_{обр.дин.n} у этого ограничителя напряжения составляла 0,15 Ом, а величина U_BRSMo=U_BRmino+r_{обр.дин.о} I_RSM=1200•0,15•750= 1312,5В была меньше, чем U₃=1340 B.

Литература
1 Ю. В.Зайцев, А.Н.Марченко, И.И.Ващенко. Полупроводниковые резисторы в электротехнике. М.: Энергоатомиздат. 1988, стр. 79.

2 Short Form Cataloque. Hiqh Power Semiconductors. Sweden by VK-Tryck AB 1994-05. 24 р.

3. А. С. Зубрилов, В.Б. Шуман. Лавинный пробой при больших плотностях тока ЖТФ, 1987, вып. 9, стр. 1843-1845.

Использование: при конструировании полупроводниковых симметричных ограничителей напряжения с малым значением динамического сопротивления. Сущность изобретения: высоковольтный полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения выполнен состоящим из n одинаковых последовательно соединенных низковольтных симметричных (р-n-р или n-р-n) ограничителей напряжения, количество которых n определяется из соотношения

где U_BRmino - минимальное пробивное напряжение ограничителя напряжения; r_{обр.дин.о} - динамическое сопротивление одноэлементного ограничителя напряжения с минимальным пробивным напряжением, равным U_BRmino; i_RSM - максимально допустимое значение амплитуды неповторяющегося импульсного обратного тока, который может протекать через ограничитель напряжения при его работе; U_доп - максимально допустимое значение величины напряжения, которое может возникать на ограничителе напряжения при протекании через него тока i_RSM. При этом величина минимального пробивного напряжения U_BRmin каждого из n одинаковых последовательно соединенных низковольтных симметричных (р-n-р, n-р-n) ограничителей напряжения определяется из соотношения Техническим результатом изобретения является уменьшение динамического сопротивления высоковольтных полупроводниковых симметричных ограничителей напряжения. 3 ил.

Высоковольтный полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения, отличающийся тем, что он выполнен состоящим из n одинаковых последовательно соединенных низковольтных симметричных (р-n-р или n-р-n) ограничителей напряжения, количество которых n определяется из соотношения:

где U_BRmino - минимальное пробивное напряжение ограничителя напряжения;
r_{обр.дин.о} - динамическое сопротивление одноэлементного ограничителя напряжения с минимальным пробивным напряжением, равным U_BRmino;
I_RSM - максимально допустимое значение амплитуды неповторяющегося импульсного обратного тока, который может протекать через ограничитель напряжения при его работе;
U_доп - максимально допустимое значение величины напряжения, которое может возникать на ограничителе напряжения при протекании через него тока I_RSM,
при этом величина минимального пробивного напряжения U_BRmin каждого из n одинаковых последовательно соединенных низковольтных симметричных (р-n-р, n-р-n) ограничителей напряжения определяется из соотношения