ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО КЛЮЧЕВОГО ТИПА

Изобретение относится к области полупроводникового приборостроения, в частности к конструированию мощных ключевых полупроводниковых приборов и силовых интегральных схем, сочетающих преимущества полевого управления и биполярного механизма переноса тока (английское наименование MOS-Controlled Power Switches) и может быть использовано в схемах и устройствах энергетической электроники.
Известны полупроводниковые ключи, в которых высоковольтный тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ) коммутируется включенным последовательно с ним низковольтным МОП-транзистором (каскодная схема ключа) (см. US 5323028 A, 21.06.1994).
Недостатком данных приборов является относительно медленное включение, обусловленное неполным разрядом емкости затвор-исток ТЭУ через открытый МОП-транзистор и диод Зенера, подключенный между затвором ТЭУ и истоком МОП-транзистора.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является полупроводниковое ключевое устройство, включающее тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и дополнительный n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, соединенные между собой таким образом, что сток ТЭУ подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, исток которого подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, и связан с истоком дополнительного МОП-транзистора, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, а затвор дополнительного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора (cм.RU 2268545 С2, 20.01.2006).
В указанном устройстве сток дополнительного МОП-транзистора соединен с затвором ТЭУ, а затвор дополнительного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора. При этом происходит противофазное переключение управляющего и дополнительного МОП-транзисторов. Емкость затвор-исток ТЭУ в переходном процессе включения данного устройства разряжается через открытый управляющий МОП-транзистор и внутренний диод в структуре дополнительного МОП-транзистора. При этом разряд указанной емкости также является неполным, и остаточное отрицательное напряжение затвор-исток ТЭУ равно прямому напряжению на внутреннем диоде плюс падение напряжения на открытом управляющем МОП-транзисторе. В свою очередь это приводит к более медленному включению полупроводникового устройства, причем фронт
нарастания выходного тока на уровне десятков ампер составляет несколько сотен наносекунд. Проблема становится более значимой при повышении класса полупроводникового устройства по напряжению, т.к. при этом значительно увеличивается удельное сопротивление базового слоя тиристора с электростатическим управлением. Для быстрого включения требуется не просто разряд емкости затвор-исток ТЭУ, но и дополнительный форсирующий заряд в его входную цепь для эффективной начальной модуляции указанного базового слоя. По этой причине в известном устройстве предлагается ввести форсирующую цепочку, состоящую из последовательного соединения конденсатора и диода, причем конденсатор данной цепочки включается между затворами ТЭУ и управляющего МОП-транзистора. Однако эффективность указанного решения значительно снижается из-за конечной скорости выключения дополнительного МОП-транзистора, который шунтирует входную цепь ТЭУ как раз на этапе заряда форсирующего конденсатора. Другим недостатком данного решения является то, что форсирующий конденсатор, подключенный подобным образом, оказывается фактически параллельным входной цепи ключа, что значительно увеличивает его входную емкость, ведет к дополнительной перегрузке формирователя импульсов управления, ухудшает динамику переключения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении динамических параметров переключения полупроводникового устройства.
1. Конденсатор форсирующей цепочки, заряженный в переходном процессе выключения устройства, в переходном процессе включения устройства разряжается во входную цепь ТЭУ, обеспечивая быстрое его включение и начальную модуляцию базового слоя ТЭУ за счет подключения данного конденсатора между затвором ТЭУ и стоком вспомогательного МОП-транзистора.
2. Необходимый заряд для быстрого включения устройства и модуляции базового слоя ТЭУ накапливается в конденсаторе форсирующей цепочки в переходном процессе выключения устройства при фиксированном напряжении на конденсаторе за счет подключенного параллельно данному конденсатору диода, анод которого соединен со стоком вспомогательного МОП-транзистора, а катод диода соединен с затвором ТЭУ. При этом не требуется дополнительная энергия от управляющей цепи устройства.
3. В переходном процессе выключения устройства вспомогательный МОП-транзистор находится в режиме насыщения, при этом обеспечивается минимальная динамическая перегрузка управляющего МОП-транзистора по напряжению за счет фиксации на требуемом уровне данного напряжения введенным в устройство диодом форсирующей цепочки.
4. Применяемый в устройстве конденсатор не увеличивает входную емкость устройства.
Технический результат достигается тем, что в силовом полупроводниковом ключевом устройстве, включающем тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и вспомогательный n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, соединенные между собой таким образом, что сток ТЭУ подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, исток которого подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, и связан с истоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, а затвор вспомогательного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, в устройство введена форсирующая цепочка, состоящая из параллельного соединения конденсатора и диода, причем первая общая точка подключения одной обкладки конденсатора и анода диода соединена со стоком вспомогательного МОП-транзистора, а вторая общая точка подключения второй обкладки конденсатора и катода диода соединена с затвором ТЭУ.
На Фиг.1. представлено полупроводниковое устройство ключевого типа.
На Фиг.2. представлена осциллограмма переключения устройства по току (напряжение затвор-исток устройства и выходной ток стока устройства).
На Фиг.3. - осциллограмма переключения устройства по напряжению (напряжение затвор-исток устройства и напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора).
Силовое полупроводниковое ключевое устройство Фиг.1. содержит высоковольтный тиристор 1 с электростатическим управлением (ТЭУ), включенный последовательно с ним низковольтный управляющий МОП-транзистор 2, вспомогательный низковольтный МОП-транзистор 3, при этом ТЭУ содержит область истока 4, область стока 5 и затвор 6, управляющий МОП-транзистор содержит область истока 7, область стока 8 и затвор 9, вспомогательный МОП-транзистор содержит область истока 10, область стока 11 и затвор 12. Между истоком 10 и стоком 11 вспомогательного МОП-транзистора 3 пунктиром показан его внутренний обратный диод 13.
ТЭУ, управляющий и вспомогательный МОП-транзисторы соединены между собой следующим образом: сток 5 ТЭУ подключен к первому силовому выводу "С" (сток устройства), исток 4 ТЭУ присоединен к стоку 8 управляющего МОП-транзистора 2, исток 7 которого подключен ко второму силовому выводу "И" (исток устройства), служащему общей шиной, и связан с истоком 10 вспомогательного МОП-транзистора 3, при этом затвор 9 управляющего МОП-транзистора 2 подключен к третьему управляющему выводу "3" (затвор устройства), а затвор 12 вспомогательного МОП-
транзистора 3 соединен со стоком 8 управляющего МОП-транзистора, в устройство введена форсирующая цепочка, состоящая из параллельного соединения конденсатора 17 и диода 14, причем первая общая точка подключения одной обкладки 18 конденсатора 17 и анода 15 диода 14 соединена со стоком 11 вспомогательного МОП-транзистора 3, а вторая общая точка подключения второй обкладки 19 конденсатора 17 и катода 16 диода 14 соединена с затвором 6 ТЭУ.
Заявляемое ключевое устройство работает следующим образом. Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает протекание тока и регулирование мощности в нагрузке при положительном потенциале на первом силовом выводе "С" относительно второго силового вывода "И", т.е при условии
СИ
где U - выходное напряжение устройства между выводами "С" и "И", В.
Блокированное состояние ключа реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе "З", соединенном с затвором 9 управляющего МОП-транзистора. При этом последний находится в закрытом состоянии и ток через него, а соответственно, и через ТЭУ 1 практически не протекает.
Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому ключевому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке, символом Е. При отсутствии тока в данной цепи (ключевое устройство заперто):
DS ТЭУ
где U - напряжение сток-исток ТЭУ, В.
DS МОП1
U - напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора, В.
Отношение напряжения сток-исток ТЭУ к напряжению затвор-исток ТЭУ при заданном токе утечки через закрытый ТЭУ называется коэффициентом блокирования. Обозначим его символом μ.
Тогда напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора можно записать как:
DS МОП2
где U - напряжение сток-исток вспомогательного МОП-транзистора, В.
С
U - напряжение на конденсаторе 17, В.
GS ТЭУ
U - напряжение затвор-исток ТЭУ, В.
DS МОП1
02
Если напряжение U становится больше порогового напряжения отпирания U вспомогательного МОП-транзистора (что практически реализуется в рассматриваемом устройстве), последний оказывается в открытом состоянии. Т.к. отсутствие тока через ТЭУ означает также отсутствие тока в цепи его затвора (с точностью до значений тока утечки, составляющего доли мА) можно положить:
DS(on)2
где R - сопротивление сток-исток открытого вспомогательного МОП-транзистора, Ом.
D2
I - ток стока вспомогательного МОП-транзистора, А. Поэтому формулу (3) с учетом (4) можно переписать:
что позволяет сформулировать требования к предельно допустимому выходному напряжению управляющего МОП-транзистора.
С
DS(on)1
В существующих технологиях реализации структуры ТЭУ не существует физических и технологических причин, препятствующих достижению практически любой необходимой величины коэффициента блокирования μ. Напряжение U ограничено фиксирующим напряжением диода 14, которое составляет не более 10 В. Т.о. в устройстве возможно использование низковольтного управляющего МОП-транзистора с малым сопротивлением в открытом состоянии R.
DS МОП1
DS(on)1
Поскольку в рассматриваемом устройстве напряжение U равно входному напряжению затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, то класс по напряжению управляющего МОП-транзистора будет не выше предельного напряжения для входной цепи транзисторов с изолированным затвором, т.е. не более 20-30 В. При данном классе напряжения R для современных технологий силовых низковольтных МОП-транзисторов составляет единицы миллиом.
Т.о. в блокированном состоянии устройства практически все внешнее напряжение Е приложено к ТЭУ, вспомогательный МОП-транзистор открыт, а напряжение на управляющем МОП-транзисторе относительно невелико, однако выше порогового напряжения отпирания вспомогательного МОП-транзистора.
Включение устройства достигается подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод "З". При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора, что приводит к его включению.
Емкость управляющего р-n перехода затвор 6 - исток 4 ТЭУ заряжена перед включением до отрицательного напряжения, определяемого в соответствии с уравнением (3):
Для получения требуемой скорости включения устройства необходимо быстро разрядить данную емкость. При включении управляющего МОП-транзистора вспомогательный МОП-транзистор запирается, однако емкость затвор-исток ТЭУ форсированно разряжается при помощи конденсатора 17 по контуру: включенный управляющий МОП-транзистор 2 - обратный диод 13 вспомогательного МОП-транзистора 3 - конденсатор 17. Применяемый в форсирующей цепочке диод является полупроводниковым ограничителем напряжения (suppressor) и имеет вольт-амперную характеристику,
аналогичную характеристике стабилитрона. Однако данный диод позволяет поглощать значительную энергию (рассеиваемая импульсная мощность составляет до нескольких тысяч ватт), имеет малое время срабатывания (единицы наносекунд), малое дифференциальное сопротивление на участке стабилизации напряжения (единицы миллиом) и надежно фиксирует напряжение.
Необходимо также обеспечить дополнительный заряд во входную цепь высоковольтного ТЭУ после полного разряда емкости затвор-исток ТЭУ, когда управляющий р-n переход ТЭУ смещается в прямом направлении.
д
Если обозначить величину дополнительного заряда Q, то следует потребовать, чтобы заряд, запасаемый конденсатором 17 в переходном процессе выключения устройства, удовлетворял условию:
где С - емкость конденсатора 17, нФ.
ЗИ ТЭУ
С - емкость затвор-исток ТЭУ, нФ.
0
U - напряжение фиксации диода 14, В.
Неравенство 7 позволяет для заданных параметров ТЭУ подобрать соответствующие параметры ограничительного диода 14 и конденсатора 17.
По окончании переходного процесса включения конденсатор 17 полностью разряжается, а на устройстве устанавливается прямое напряжение:
(оn)ТЭУ
где U - падение напряжения на открытом ТЭУ, В.
DS(on)1
R - сопротивление сток-исток управляющего МОП-транзистора, Ом.
С
I - ток силового устройства в открытом состоянии, А.
С
Ток I определяется параметрами нагрузки и внешней цепи.
02
Выключение устройства производится переключением напряжения на управляющем выводе "3" до нулевого значения. При этом происходит разряд входной емкости управляющего МОП-транзистора, после чего данный транзистор запирается. Потенциал стока 8 управляющего МОП-транзистора начинает увеличиваться, при этом растет входное напряжение затвор 12 - исток 10 вспомогательного МОП-транзистора. Когда данное напряжение достигает порога отпирания U вспомогательного МОП-транзистора, последний отпирается. При этом к цепи затвор-исток ТЭУ прикладывается отрицательное напряжение фактически равное падению напряжения на управляющем МОП-транзисторе (в начальный момент времени напряжение на конденсаторе 17 равно нулю).
С
С
0
В цепи затвора ТЭУ при этом появляется мощный импульс обратного тока по амплитуде практически равный току нагрузки I. Данный импульс тока начинает заряжать конденсатор 17. Поскольку напряжение U далее фиксируется диодом 14 на уровне U, энергия, запасаемая в данном конденсаторе 17 равна . Другая часть энергии от протекания
0
0
обратного тока затвора ТЭУ поглощается диодом 14, поскольку вспомогательный МОП-транзистор находится в насыщенном состоянии. Т.о. выбор диода 14 необходимо проводить как по требуемой величине U, так и с учетом его способности поглотить оставшуюся после заряда конденсатора С энергию импульса обратного тока, равную произведению заряда тока затвора ТЭУ, проходящего через диод 14 на напряжение U.
DS(on)1
02
Предлагаемое ключевое устройство сохраняет свою работоспособность также в режиме кратковременных токовых перегрузок. При увеличении тока нагрузки выше некоторой величины, определяемой выходной характеристикой управляющего МОП-транзистора, последний переходит из режима насыщения с малым сопротивлением R в активную область работы, что означает рост его выходного напряжения сток 8 - исток 7, при этом растет входное напряжение затвор 12 - исток 10 вспомогательного МОП-транзистора. Когда данное напряжение достигает порога отпирания U вспомогательного МОП-транзистора, последний отпирается. При этом к цепи затвор-исток ТЭУ прикладывается отрицательное напряжение и далее аналогично процессам при запирании устройства. Отличие заключается в том, что в цепи затвора ТЭУ начинает протекать часть тока перегрузки, величина которой определяется коэффициентом передачи тока внутреннего р-n-р транзистора в структуре ТЭУ. Другая часть тока перегрузки ограничена максимальным током управляющего МОП-транзистора, величина которого в свою очередь зависит от величины управляющего напряжения и крутизны данного транзистора.
При первом начальном включении устройства (режим пуска) конденсатор форсирующей цепочки имеет нулевое напряжение. В этом случае емкость затвор 6 - исток 4 ТЭУ разряжается по контуру: открытый управляющий МОП-транзистор 2 - внутренний обратный диод 13 вспомогательного МОП-транзистора 3 - диод 14. Т.о. диод 14, ограничивающий напряжение, должен выбираться однонаправленным (unidirectional).
Пример конкретного исполнения. Устройство представляет собой силовую гибридную схему, выполненную в соответствии с Фиг.1, в которой все элементы в виде отдельных кристаллов (ТЭУ, управляющий и вспомогательный МОП-транзисторы, диод и чип-конденсатор) напаяны на общую изолирующую подложку, выполненную из алюмооксидной керамики, покрытую медной металлизацией. При этом использован высоковольтный ТЭУ 1 с предельно допустимым напряжением сток-исток 1200 В, коэффициентом блокирования до 100 единиц, максимально допустимым током 50 А. Размер кристалла ТЭУ 7×7 мм. В качестве транзисторов 2 и 3 использованы кристаллы n-канальных МОП транзисторов, имеющих максимально допустимое напряжение сток-исток 30 В, пороговое напряжение 2,1...4,0 В, максимально допустимый ток стока 80 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 4,5 мОм, входную
емкость затвор-исток 5 нФ. Примененный в устройстве диод имеет следующие параметры: импульсная рассеиваемая мощность 1500 Вт, максимальный импульсный ток 100 А, напряжение ограничения 7 В, дифференциальное сопротивление на участке ограничения 4,3 мОм. Конденсатор имеет емкость 22 нФ при максимально допустимом напряжении 25 В. Все электрические соединения элементов выполнены ультразвуковой сваркой при помощи алюминиевой проволоки диаметром 300 мкм, присоединенной к контактным площадкам соответствующих элементов.
Заявляемое устройство в данном исполнении обеспечивает коммутацию тока до 50 А при напряжении 1200 В. Падение напряжения на открытом устройстве при токе 50 А составляет 1,5 В. Время нарастания тока 80 нс (до уровня 20 А), время спада тока 50 нс, длительность остаточного тока 1000...1500 нс.
Данное устройство может быть использовано в радиоэлектронике, аппаратуре контроля и регулирования мощности, преобразовательной технике, вторичных источниках электропитания.
На Фиг.2, 3 представлены осциллограммы работы опытных образцов данного ключевого устройства, снятые с использованием цифрового осциллографа фирмы Tektronix серии TDS 3054.
Режим работы устройства во всех случаях:
- нагрузка индуктивная 100 мкГн в режиме непрерывного тока, шунтированная встречным диодом HFA08TB60 фирмы IR;
- выходная цепь: Е=300 В, номинальный непрерывный ток нагрузки 20 А;
- входная цепь: Ег=15 В, фронт переключения импульсов управления <15 не, выходное сопротивление цепи генератора не более 0,2 Ом, сопротивление, последовательно подключенное к выводу "3" 2,2 Ом.
На Фиг.2 показано переключение устройства по току:
- канал 1: напряжение затвор-исток устройства;
- канал 3: ток стока устройства.
Масштаб по вертикали (масштаб амплитуды):
- канал 1: 10 В на деление;
- канал 3: 5 А на деление.
Масштаб по горизонтали (масштаб развертки):
- 200 нс на деление.
Стрелка слева с номером соответствующего канала показывает уровень нулевого значения по вертикали для данного канала.
На Фиг.3 показано переключение устройства по напряжению:
- канал 1: напряжение затвор-исток устройства.
- канал 2: напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора;
Масштаб по вертикали:
- канал 1: 10 В на деление;
- канал 2: 5 В на деление.
Масштаб по горизонтали: - 200 нс на деление.