СИЛОВОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО

Предложение относится к области полупроводникового приборостроения, в частности к конструированию силовых полупроводниковых ключей и силовых интегральных схем, сочетающих преимущества полевого управления и биполярного механизма переноса тока и может быть использовано в схемах и устройствах энергетической электроники.
Известен силовой ключ, в котором высоковольтный тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ) коммутируется включенным последовательно с ним низковольтным МОП-транзистором по схеме каскодного ключа (пат. США 5323028 A, 21.06.1994).
Недостатком данного устройства является относительно медленное включение, обусловленное неполным разрядом емкости затвор-исток ТЭУ через открытый МОП-транзистор и диод Зенера (стабилитрон), подключенный между затвором ТЭУ и истоком МОП-транзистора.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является силовое полупроводниковое устройство, включающее тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и регулирующий n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, соединенные между собой таким образом, что сток ТЭУ подключен к первому силовому выводу, затвор ТЭУ подключен к затвору регулирующего МОП-транзистора, а исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, при этом истоки регулирующего и управляющего МОП-транзисторов соединены между собой и подключены ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу (пат. РФ 74253 U1, 20.06.2008).
В указанном устройстве между затвором ТЭУ и стоком регулирующего МОП-транзистора подключен специальный диод - ограничитель напряжения (Suppressor), с помощью которого во входной емкости регулирующего МОП-транзистора накапливается относительно большой заряд. За счет накопленного заряда в процессе включения устройства обеспечивается форсированный разряд входной емкости ТЭУ и достигается высокая скорость нарастания тока. Недостатком данного решения является наличие дополнительного ключевого элемента - специального диода и повышенный уровень потерь мощности в его структуре. Еще одним недостатком является увеличение падения напряжения на управляющем МОП-транзисторе на величину напряжения ограничения, действующего на специальном диоде в процессе выключения устройства.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в улучшении динамических параметров устройства. Высокая скорость нарастания тока обеспечивается за счет снижения коэффициента блокирования ТЭУ, что обеспечивает повышенную крутизну (проводимость прямой передачи).
Технический результат достигается тем, что в силовом полупроводниковом устройстве, включающем тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и регулирующий n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, соединенные между собой таким образом, что сток ТЭУ подключен к первому силовому выводу, затвор ТЭУ подключен к затвору регулирующего МОП-транзистора, а исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, при этом истоки регулирующего и управляющего МОП-транзисторов соединены между собой и подключены ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, сток регулирующего МОП-транзистора подключен к затвору ТЭУ.
На Фиг. 1. представлено силовое полупроводниковое устройство.
На Фиг. 2. представлена осциллограмма переключения силового полупроводникового устройства, в котором ТЭУ имеет относительно высокий коэффициент блокирования µ=1000.
На Фиг. 3. представлена осциллограмма переключения силового полупроводникового устройства, в котором ТЭУ имеет оптимальный коэффициент блокирования µ=100.
Силовое полупроводниковое устройство содержит высоковольтный тиристор 1 с электростатическим управлением (ТЭУ), включенный последовательно с ним низковольтный управляющий МОП-транзистор 2, регулирующий 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, регулирующий МОП-транзистор содержит область истока 10, область стока 11 и затвор 12.
ТЭУ 1, управляющий 2 и регулирующий 3 МОП-транзисторы соединены между собой следующим образом. Сток 5 ТЭУ 1 подключен к первому силовому выводу “C” (сток устройства), затвор 6 ТЭУ 1 подключен к затвору 12 регулирующего МОП-транзистора 3, а исток 4 ТЭУ 1 присоединен к стоку 8 управляющего МОП-транзистора 2. Исток 10 регулирующего МОП-транзистора 3 и исток 7 управляющего МОП-транзистора 2 соединены между собой и подключены ко второму силовому выводу “И” (исток устройства), служащему общей шиной, при этом затвор 9 управляющего МОП-транзистора 2 подключен к третьему управляющему выводу “3” (затвор устройства).
В устройстве сток 11 регулирующего МОП-транзистора 3 подключен к затвору 6 ТЭУ 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает пропускание тока и регулирование мощности в нагрузке при положительном потенциале на первом силовом выводе “C” 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.
Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому ключевому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке, символом Е. При закрытом ключевом устройстве:
DS ТЭУ1
где U - напряжение сток 5 - исток 4 ТЭУ 1, В.
DS МОП2
_
U напряжение сток 8 - исток 7 управляющего МОП-транзистора 2, В.
Обозначим коэффициент блокирования ТЭУ 1 символом µ. Тогда напряжение сток 8 - исток 7 управляющего МОП-транзистора 2 можно записать как:
GS ТЭУ1
где U - напряжение затвор 6 - исток 4 ТЭУ 1, В.
GS МОП3
_
U напряжение затвор 12 - исток 10 регулирующего МОП-транзистора 3, В.
GS МОП3
Напряжение U устанавливается во входной цепи регулирующего МОП-транзистора 3 при выключении устройства и равно падению напряжения на сопротивлении сток 11 - исток 10 открытого регулирующего МОП-транзистора 3, когда через него протекает импульс обратного тока затвора 6 ТЭУ 1. Таким образом:
З
где I - ток затвора 6 ТЭУ 1, А.
DS(on)3
R - сопротивление сток 11 - исток 10 открытого регулирующего МОП-транзистора 3, Ом.
В известных технологиях реализации структуры ТЭУ 1 не существует физических и технологических причин, препятствующих достижению практически любой необходимой величины его коэффициента блокирования µ. Согласно уравнению (3) при относительно большой величине параметра µ в устройстве можно применить низковольтный управляющий МОП-транзистор 2 с малым сопротивлением сток 8 - исток 7 в открытом состоянии.
Таким образом, в блокированном состоянии устройства практически все внешнее напряжение Е в соответствии с уравнением (2) приложено к высоковольтному ТЭУ 1. Регулирующий МОП-транзистор 3 открыт и находятся на границе насыщении, поскольку падение напряжения в его входной цепи примерно равно пороговому напряжению. Напряжение на закрытом управляющем МОП-транзисторе 2 относительно невелико.
Включение устройства производится подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод “З”. При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 2, что обеспечивает его включение.
Емкость управляющего p-n перехода затвор 6 - исток 4 ТЭУ 1 заряжена перед включением до отрицательного напряжения, определяемого в соответствии с уравнением (3):
При включении управляющего МОП-транзистора 2 входная емкость затвор 6 - исток 4 ТЭУ 1 будет разряжаться. При снижении напряжения на данной емкости до уровня напряжения отсечки в выходной цепи ТЭУ 1 появляется ток.
0
Если коэффициент блокирования µ для ТЭУ 1 является относительно большим, в структуре ТЭУ 1 преобладает повышенная плотность размещения элементарных ячеек. При этом ТЭУ 1 будет обладать относительно низким значением напряжения отсечки U.
0
Однако, чем меньше напряжение отсечки U, тем ниже силовая крутизна 8, называемая также проводимостью прямой передачи в структуре ТЭУ 1:
0
где R - сопротивление канала ТЭУ 1, Ом
При снижении силовой крутизны ТЭУ 1 увеличивается фронт нарастания тока, и в структуре ТЭУ 1 растут динамические потери мощности.
В устройстве прототипа использовался ТЭУ 1 с параметром µ, составляющим несколько сотен и даже тысяч единиц, что приводило к существенному замедлению фронта нарастания тока. Для решения проблемы потребовался механизм форсированного перезаряда входной емкости затвор 6 - исток 4 ТЭУ 1, для чего в устройство был введен дополнительный ключевой элемент, что привело к целому ряду отмеченных выше недостатков.
В предлагаемом устройстве коэффициент блокирования µ для ТЭУ 1 выбран оптимальным образом и составляет величину не более 100 единиц. С одной стороны параметр µ остается относительно большим, что в соответствии с уравнением (3) обеспечивает относительно низкое напряжение на управляющем МОП-транзисторе 2. С другой стороны значение параметра µ на порядок меньше, чем у прототипа, что обеспечивает большую силовую крутизну в ТЭУ 1. При этом достигается относительно высокая скорость нарастания тока в выходной цепи ТЭУ 1, и снижаются динамические потери мощности.
По окончании переходного процесса включения на устройстве установится прямое напряжение:
(on)ТЭУ1
где U - падение напряжения на открытом ТЭУ 1, В.
DS(on)2
R - сопротивление сток 8 - исток 7 открытого управляющего МОП-транзистора 2, Ом.
C
I - ток силового устройства в открытом состоянии, А.
C
Ток I определяется параметрами нагрузки и внешней цепи.
Выключение устройства производится переключением напряжения на управляющем выводе “З” до нулевого значения. При этом происходит разряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 2, после чего данный транзистор 2 запирается. Потенциал стока 8 управляющего МОП-транзистора 2 начинает увеличиваться, при этом растет отрицательное напряжение во входной цепи затвор 6 - исток 4 ТЭУ 1 (в начальный момент времени потенциал затвора 6 ТЭУ 1 определяется практически нулевым напряжением затвор 12 - исток 10 регулирующего МОП-транзистора 3). При этом в базовом слое ТЭУ 1 формируется область пространственного заряда, и напряжение на устройстве увеличивается.
C
В цепи затвора ТЭУ 1 при этом появляется импульс обратного тока по амплитуде практически равный току нагрузки I. Данный импульс тока начинает заряжать емкость затвор 12 - исток 10 регулирующего МОП-транзистора 3, и при увеличении напряжения во входной цепи указанного МОП-транзистора 3 выше порогового, последний отпирается и обеспечивает протекание импульса тока затвора 6 ТЭУ 1 в переходном процессе выключения устройства.
Пример конкретного исполнения. Устройство представляет собой силовую гибридную схему, выполненную в соответствии с Фиг. 1, в которой все элементы в виде отдельных кристаллов (ТЭУ 1, управляющий 2, и регулирующий 3 МОП-транзисторы) напаяны на общую изолирующую подложку, выполненную из алюмооксидной керамики, покрытой медной металлизацией. При этом применялся высоковольтный ТЭУ 1 с предельно допустимым напряжением сток 5 - исток 4 величиной 1200 В, коэффициентом блокирования 100 единиц, максимально допустимым током 50 А. Размер кристалла ТЭУ 1 7×7 мм. В качестве транзисторов 2 и 3 использованы кристаллы n-канальных МОП-транзисторов, имеющие максимально допустимое напряжение сток-исток 55 В, пороговое напряжение 3,0 В, максимально допустимый ток стока 100 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 3,0 мОм, входную емкость затвор-исток 20 нФ. Все электрические соединения элементов выполнены ультразвуковой сваркой при помощи алюминиевой проволоки диаметром 300 мкм, присоединенной к контактным площадкам соответствующих элементов.
На Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены осциллограммы работы макетных образцов заявляемого устройства, снятые с использованием цифрового осциллографа фирмы Tekronix серии TDS 3054, которые демонстрируют его технический результат.
Режим работы устройства:
- напряжение выходной цепи Е=300 В, номинальный ток нагрузки 10 А;
- напряжение цепи управления Ег=15 В, фронт переключения импульсов управления <15 нс, выходное сопротивление цепи генератора не более 0,2 Ом, сопротивление резистора, последовательно подключенного к выводу “З” устройства 2,2 Ом.
На Фиг. 2 показана осциллограмма переключения тока в выходной цепи устройства, в котором применяется ТЭУ 1 с относительно высоким коэффициентом блокирования µ=1000.
Канал 3 - ток стока устройства (ток стока ТЭУ 1).
Масштаб по вертикали (масштаб амплитуды) для канала 3-2,0 А на деление;
Масштаб по горизонтали (масштаб развертки) - 100 нс на деление.
Стрелка слева с номером канала показывает уровень нулевого значения по вертикали.
Из-за очень высокого коэффициента блокирования µ=1000 с ростом тока нагрузки снижается силовая крутизна ТЭУ 1 и происходит «завал» фронта нарастания тока в устройстве.
На Фиг. 3 показана осциллограмма переключения тока в выходной цепи устройства, в котором применяется ТЭУ 1 с оптимизированным коэффициентом блокирования µ=100.
Канал 3 - ток стока устройства (ток стока ТЭУ 1).
Масштаб по вертикали (масштаб амплитуды) для канала 3-2,0 А на деление;
Масштаб по горизонтали (масштаб развертки) - 100 нс на деление.
При параметре µ=100 обеспечивается высокая скорость нарастания тока в устройстве в течение всего фронта включения.