单片集成的半导体开关、尤其是功率断路开关制造技术

本发明专利技术涉及一种具有再生关断行为的、单片集成的半导体开关，尤其是功率断路开关。半导体开关具有呈单片集成形式的两个场效应晶体管，例如一个p‑JFET和一个n‑JFET。两个JFET的源极以及n‑JFET的阱区短接。此外，两个JFET的栅极以及p‑JFET的漏极通过阴极短接。而p‑JFET的阱区与阳极短接。由此实现单片集成的半导体开关，该半导体开关在超过确定的阳极电压或确定的阳极电流时自动关断。阳极电压和阳极电流的极限值可以通过构件的尺寸确定。由此可以在快速响应行为时实现直到200kV的截止强度。

Monolithic integrated semiconductor switches, especially power break switches

The present invention relates to a monolithic integrated semiconductor switch with regenerative shutdown behavior, especially a power break switch. A semiconductor switch has two FET monolithic integrated form, such as a P and a n JFET JFET. Two JFET source and N JFET wells short. In addition, two JFET P and JFET gate drain through the cathode short circuit. The well region and the anode P JFET short circuit. Thus, a monolithic integrated semiconductor switch is realized, and the semiconductor switch is automatically turned off when the anode voltage is determined or the anode current is determined. The limiting value of anode voltage and anode current can be determined by the size of the component. Thus, the cutoff strength of the 200kV can be achieved until the fast response behavior is achieved.

【技术实现步骤摘要】
单片集成的半导体开关、尤其是功率断路开关
本专利技术涉及一种单片集成半导体开关、尤其是功率断路开关，具有第一和第二单片集成的场效应晶体管，其中，第一场效应晶体管的源极或发射极与第二场效应晶体管的源极或发射极短接，第一场效应晶体管的漏极或集极与第一电压接头连接，并且第二场效应晶体管的漏极或集极与半导体开关的第二电压接头连接。半导体开关作为功率断路开关例如使用于限界和关断电网中的过电流。在电网内部出现短路时负载电流仅由电网的阻抗限界。产生过电流，由该过电流引起所连接负载的显著热负荷。为了避免由此对所述负载产生的损害，对过电流的快速限界和关断是必需的，同时也应避免电弧点燃。
技术介绍
在能量传输技术中，所述问题至今典型地通过使用机械式功率断路开关解决。该功率断路开关用于接通和断开运行电流以及用于在故障情况下关断短路电流。在正常运行中，该功率断路开关必须既引导所有运行电流而且又承受在此产生的热和动态载荷。在短路情况下，功率断路开关必须尽可能突然并且可靠地关断电流通路，由此不损坏或破坏随后的运行器件。在此，断开点必须在相邻导体之间形成防击穿的隔离段。在机械式功率断路开关中，连接件在故障情况下通过机械杠杆相互断开。在此，在接触区域中的电流密度如此大，使得形成熔丝连接(Schmelzbrücke)。由此在接点之间产生的电弧首先使电路保持闭合。在交流电流中电弧在电压交零时熄灭。但是为了在电压重新上升时电弧不会重新点燃，则必须对电弧段进行去离子化。这通过借助于灭火剂如SF6的电弧冷却或通过真空实现。开关过程可以持续多个周期。在关断过程期间电流快速增加并且根据关断持续时间总是继续接近冲击电流的幅度。幅度的大小与网结构和在其中可用的短路功率有关。在此，从检测到电流通路完全断开的总时间可以持续远超过100ms。在该时期内过电流流经随后的运行器件，该运行器件为此必须也针对该过电流确定尺寸。为了减少过电流负载，功率开关必须更快地关断。但是过快的开关过程在机械式断路开关中增大电弧强度，由此需要附加的用于熄灭的能量并且使接触磨损推进。因此困难的是，通过机械式开关实现短的开关时间。用于解决上述问题的另一可能性为使用基于半导体的功率断路开关。该开关能够在几微秒内关断。此外，该开关不形成电弧，使得不需要附加的灭火剂。由于缺少可运动部件，该开关是低磨损和易维护的并且由于其紧凑结构也是节省位置的。基本上这种功率断路开关由多个并联的或串联的单个构件尤其是晶闸管、栅极可关断晶闸管(GTO)和隔离栅双极晶体管(IGBT)组成。因为功率断路开关在该应用中主要在打开状态下运行，在第一近似中保持不考虑开关损耗和截止性能。因此，LGBT由于其与晶闸管相比显著较高的导通损耗而不适合。晶闸管由于其小的导通损耗显得更适合并且可得到直到8kV的截止电压。点燃通过小的栅电流或通过光脉冲实现。为了灭火必须不超过确定的保持电流。这在交流电流中通过超过交零自动进行。但是必须保持一定的游离时间，在该游离时间中剩余的载流子从空间载荷区中清除出去。这可以持续直到100μs。在该时间内必须限制电压的再增大，因为否则晶闸管自动地再点燃。但是游离时间通过正向电流的增大或者在温度升高时延长。此外要注意的是，晶闸管由于交零需要持续的点燃信号。与此相反地，栅极可关断晶闸管(GTO)通过后面的控制电流关断。但是这不能仅通过半导体的内部结构实现，而是需要附加的RCD电路，以便在关断时限制电压的再增大。在这种功率开关中的问题是，在截止运行中不产生电流隔离。即使在截止运行中还总是有在毫安范围内的小的反向电流流动。由M.Callaviket等人的“TheHybridHVDCBreaker.ABBGridSystem”，TechnicalPaper，2012年11月中公知一种用于直流电流传输的混合式功率开关。在此，涉及一种由旁路和由功率半导体构造的电功率断路开关构成的并联电路，该电功率断路开关构成主开关。在正常运行中，电流流经旁路。该旁路由快速开关的机械功率开关和换向器组成。在故障情况下，换向器引起功率阻抗的增大，使得通向主电流通路的电流换向。换向器通过串联连接的IGBT实现，该IGBT借助于改变栅电压增大功率阻抗。在短的时间滞延之后机械式开关打开。电流仅由主开关中断。总关断过程持续不到5ms。但是整个结构非常费事和昂贵。前面阐述的解决方案的基本问题是功率断路开关的复杂结构。该结构需要大规模的操控电子器件，该操控电子器件最终导致总系统的可靠性的限制。由B.Rosensaft等人的“CircuitBreakerandSafeControlledPowerSwitch”，Proc.ofthe19thInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&ICs,韩国2007，169-172页公知一种具有n型结型场效应晶体管(n-JFET)和p型结型场效应晶体管(p-JFET)的单片集成的功率断路开关，该功率断路开关根据所谓的“双晶闸管”的原理构造。在该电路连接中，两个JFET的源极相互短接，p-JFET的栅极与阳极接头短接并且n-JFET的栅极与阴极接头短接。类似于晶闸管，该晶闸管在顶点燃之后保持高电流通量与低正向电压，双晶闸管可以在触发之后保持高反向电压与低反向电流。当自保持的晶闸管借助于电压交零熄灭时，双晶闸管(也以概念SSCB(SolidStateCircuit-Breaker，固态断路开关)公知)的接通通过电流交零实现。相对于晶闸管，在SSCB中替代于通过高反向电压的顶点燃能够借助于过高电流强度实现顶截止。由此该构件可以作为自动触发的、可复位的安全元件使用在电能传输中的短路和过电流中。在正常情况下，相电流流经低电阻的功率断路开关。在故障情况下，功率断路开关在几百微秒内转换到高电阻状态中并且在此持续(直至复位)接收满相电压。但是在这种功率构件中，最大阴极电压由n-JFET的栅极的截止强度限界，并且最大阳极电压由p-JFET的栅极的截止强度限界。由此如此构造的功率开关仅适用于小的运行电压，尤其在单片集成的情况下。在此，JFET的栅极电势仅通过半导体区操控，使得不可能由外部进行栅极的操控。对于较高的运行电压在Rosensaft等人的所述公开文件中也示出这种功率断路开关的变型，该变型主要基于具有单片集成的n型通道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的基于金属氧化物半导体(MOS)的IGBT的工艺技术。
技术实现思路
本专利技术的任务在于，给出一种半导体开关，该半导体开关也可以作为功率或负载断路开关在高运行电压中使用并且能够在过电流的情况下实现快速自动关断。所述任务通过根据权利要求1所述的单片集成的半导体开关解决，半导体开关的有利构型是从属权利要求的主题或者从下面的说明以及实施例中提取出。所提出的单片集成的半导体开关由两个半导体构件构造，至少用于所述半导体构件中的一个半导体构件的控制原理相当于结型场效应晶体管(JFET)的控制原理。该半导体开关为双晶闸管。在此，第一场效应晶体管的源极或发射极与第二场效应晶体管的源极或发射极短接。在此，第一场效应晶体管的源区或发射区和第二场效应晶体管的源区或发射区优选相互邻接。第一场效应晶体管的漏极或集极与半导体开本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有第一和第二单片集成的场效应晶体管的半导体开关，所述场效应晶体管中的一个场效应晶体管具有n掺杂的通道并且另一个场效应晶体管具有p掺杂的通道，在所述半导体开关中，‑所述第一场效应晶体管的源极或发射极与所述第二场效应晶体管的源极或发射极短接，‑所述第一场效应晶体管的漏极或集极与第一电接头电连接，并且‑所述第二场效应晶体管的漏极或集极与所述半导体开关的第二电接头电连接，其中，‑所述第二场效应晶体管的阱区与两个场效应晶体管的源极或发射极短接，‑所述第一场效应晶体管的阱区与所述第二电接头短接，和‑所述第一场效应晶体管的栅极或基极与所述第一电接头短接并且所述第二场效应晶体管的栅极或基极与所述第一电接头短接或者布置成能外部操控。

【技术特征摘要】
2016.05.06 DE 102016207859.31.具有第一和第二单片集成的场效应晶体管的半导体开关，所述场效应晶体管中的一个场效应晶体管具有n掺杂的通道并且另一个场效应晶体管具有p掺杂的通道，在所述半导体开关中，-所述第一场效应晶体管的源极或发射极与所述第二场效应晶体管的源极或发射极短接，-所述第一场效应晶体管的漏极或集极与第一电接头电连接，并且-所述第二场效应晶体管的漏极或集极与所述半导体开关的第二电接头电连接，其中，-所述第二场效应晶体管的阱区与两个场效应晶体管的源极或发射极短接，-所述第一场效应晶体管的阱区与所述第二电接头短接，和-所述第一场效应晶体管的栅极或基极与所述第一电接头短接并且所述第二场效应晶体管的栅极或基极与所述第一电接头短接或者布置成能外部操控。2.根据权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，所述第一场效应晶体管的所述源极或发射极和所述第二场效应晶体管的所述源极或发射极相互邻接。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·许尔内尔，T·埃尔巴赫尔，
申请(专利权)人：弗劳恩霍弗应用技术研究院，
类型：发明
国别省市：德国,DE