ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ СИЛОВОЙ МОДУЛЬ

Предложение относится к области полупроводникового приборостроения, в частности к конструированию силовых полупроводниковых модулей 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 модуль, в котором высоковольтный тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ) коммутируется включенным последовательно с ним низковольтным МОП-транзистором (схема каскодного ключа) US 5323028 A, 21.06.1994).
Недостатком данного модуля 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 силовой модуль, включающий 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 стоку 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 (RU 2268545 C2, 20.01.2006).
В указанном устройстве затвор регулирующего МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, за счет чего обеспечивается автоматическая защита устройства от токовой перегрузки. Однако существенным недостатком указанного устройства является то, что в переходном процессе включения относительно большая входная емкость затвор-исток регулирующего МОП-транзистора разряжается через управляющий МОП-транзистор, что при относительно высокой частоте коммутации приводит к увеличению токовой перегрузки и росту потерь мощности в управляющем МОП-транзисторе.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в обеспечении защиты устройства от токовой и тепловой перегрузки, а также автоматического возврата устройства к нормальному функционированию при устранении указанной перегрузки.
Технический результат достигается тем, что в интеллектуальном силовом модуле, 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 стоку 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, в устройство введен защитный n-канальный МОП-транзистор, сток которого соединен с затвором управляющего МОП-транзистора, а исток с истоком управляющего МОП-транзистора, при этом затворы защитного и регулирующего МОП-транзисторов соединены между собой и подключены к затвору ТЭУ.
На Фиг. 1. представлен интеллектуальный силовой модуль.
На Фиг. 2. представлена схема прототипа.
На Фиг. 3. представлены осциллограммы переключения интеллектуального силового модуля в номинальном режиме.
На Фиг. 4. представлены осциллограммы в управляющей цепи интеллектуального силового модуля в номинальном режиме.
На Фиг. 5. представлены осциллограммы переключения
интеллектуального силового модуля в режиме токовой перегрузки.
На Фиг. 6. представлены осциллограммы в управляющей цепи интеллектуального силового модуля в режиме токовой перегрузки.
На Фиг. 7. представлены осциллограммы переключения
интеллектуального силового модуля в режиме тепловой перегрузки.
На Фиг. 8. представлены осциллограммы в управляющей цепи интеллектуального силового модуля в режиме тепловой перегрузки.
Интеллектуальный силовой модуль 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, управляющий и регулирующий МОП-транзисторы соединены между собой следующим образом. Сток 5 ТЭУ 1 подключен к первому силовому выводу "С" (сток устройства), затвор 6 ТЭУ 1 подключен к стоку 11 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 "З" (затвор устройства).
В устройство введен защитный n-канальный МОП-транзистор 13, содержащий область истока 14, область стока 15 и затвор 16. Сток 15 защитного МОП-транзистора 13 соединен с затвором 9 управляющего МОП-транзистора 2, исток 14 защитного МОП-транзистора 13 соединен с истоком 7 управляющего МОП-транзистора 2, при этом затвор 16 защитного МОП-транзистора 13 и затвор 12 регулирующего МОП-транзистора 3 соединены между собой и подключены к затвору 6 ТЭУ 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Номинальный режим работы.
Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает пропускание 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.
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:
GS МОП13
где U - напряжение затвор 16 - исток 14 защитного МОП-транзистора 13, В.
З
I - ток затвора 6 ТЭУ 1 при выключении, 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 коэффициента блокирования µ. Согласно уравнению (3) это позволяет применить в устройстве 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 3 и защитный 13 МОП-транзисторы открыты и находятся на границе насыщении, поскольку падение напряжения в их 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 запирание защитного МОП-транзистора 13 и последующий 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 емкость затвор 6 - исток 4 ТЭУ 1 будет форсированно разряжаться. При снижении напряжения на данной емкости до уровня напряжения отсечки в выходной цепи ТЭУ 1 появляется ток нагрузки.
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 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 формируется область пространственного заряда, и напряжение на устройстве увеличивается.
C
В цепи затвора ТЭУ 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. Отпирается также и защитный МОП-транзистор 13, обеспечивая увеличение скорости запирания устройства.
Номинальный режим работы устройства и его цепи управления иллюстрируется осциллограммами, представленными на Фиг. 3 и Фиг. 4, соответственно.
Режим перегрузки по току.
При протекании тока нагрузки в цепи затворов регулирующего 3 и защитного 13 МОП-транзисторов действует напряжение:
C
GS МОП3
GS МОП13
При росте тока нагрузки I выше некоторого критического значения, напряжения U и U повышаются до уровня порогового напряжения, при котором регулирующий 3 и защитный 13 МОП-транзисторы начинают отпираться. При этом затвор 6 высоковольтного ТЭУ 1 соединяется с общей шиной устройства и в цепи затвор 6 - исток 4 ТЭУ 1 реализуется отрицательное запирающее напряжение. При этом происходит блокирование канала протекания тока в ТЭУ 1 и устройство автоматически запирается.
При снятии токовой перегрузки устройство автоматически возвращается в номинальный режим работы.
Работа устройства и его цепи управления в режиме защиты от токовой перегрузки иллюстрируется осциллограммами, представленными на Фиг. 5 и Фиг. 6, соответственно.
Режим тепловой перегрузки (перегрузка по температуре).
GS ТЭУ1
DS(on)2
В режиме тепловой перегрузки растет температура p-n переходов и омических каналов проводимости ключевых элементов устройства. При этом положительное напряжение смещения U в цепи затвора ТЭУ 1 снижается, а сопротивление канала R управляющего МОП-транзистора растет.
GS МОП3
GS МОП13
В соответствии с уравнением (7) при увеличении температуры перегрева выше некоторого критического значения, напряжения U и U повышаются до уровня порогового напряжения, и далее реализуется механизм защиты, практически идентичный рассмотренному в режиме токовой перегрузки.
При снижении температуры перегрева устройство автоматически возвращается в номинальный режим работы.
Работа устройства и его цепи управления в режиме защиты от тепловой (температурной) перегрузки иллюстрируется осциллограммами, представленными на Фиг. 7 и Фиг. 8, соответственно.
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, регулирующий 3 и защитный 13 МОП-транзисторы) напаяны на общую изолирующую подложку, выполненную из алюмооксидной керамики, покрытую 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 7×7 мм. В качестве управляющего транзистора 2 использовался кристалл n-канального МОП транзистора, имеющий максимально допустимое напряжение сток-исток 55 В, пороговое напряжение 3,0 В, максимально допустимый ток стока 100 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии 10,0 мОм, входную емкость затвор-исток 10 нФ. В качестве транзисторов 3 и 13 использованы кристаллы n-канальных МОП-транзисторов, имеющие максимально допустимое напряжение сток-исток 55 В, пороговое напряжение 1,2 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. 3-8 представлены осциллограммы работы макетного образца заявляемого устройства, снятые с использованием цифрового осциллографа фирмы Tektronix серии TDS 3054.
Режимы работы устройства:
- напряжение выходная 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, последовательно подключенное к выводу "З" 2,2 Ом.
- порог срабатывания защиты при токовой перегрузке 50 А;
- порог срабатывания защиты при тепловой (температурной) перегрузке 100°C.
На Фиг. 3 показаны осциллограммы переключения интеллектуального силового модуля в номинальном режиме:
- канал 3: ток стока устройства (ток стока ТЭУ 1);
- канал 4: ток затвора ТЭУ 1.
Масштаб по вертикали (масштаб амплитуды):
- канал 3: 5 А на деление;
- канал 4: 5 А на деление.
Масштаб по горизонтали (масштаб развертки):
- 2 мкс на деление.
Стрелка слева с номером соответствующего канала показывает уровень нулевого значения по вертикали для данного канала.
На Фиг. 4 показаны осциллограммы в управляющей цепи интеллектуального силового модуля в номинальном режиме:
- канал Г. напряжение затвор-исток регулирующего 3 и защитного 13 МОП-транзисторов;
- канал 2: напряжение сток-исток управляющего 2 МОП-транзистора.
Масштаб по вертикали:
- канал 1: 5 В на деление;
- канал 2: 5 В на деление.
Масштаб по горизонтали:
- 2 мкс на деление.
На Фиг. 5 показаны осциллограммы переключения интеллектуального силового модуля в режиме токовой перегрузки:
- канал 3: ток стока устройства (ток стока ТЭУ 1);
- канал 4: ток затвора ТЭУ 1.
Масштаб по вертикали (масштаб амплитуды):
- канал 3: 5 А на деление;
- канал 4: 5 А на деление.
Масштаб по горизонтали (масштаб развертки):
- 2 мкс на деление.
На Фиг. 6 показаны осциллограммы в управляющей цепи интеллектуального силового модуля в режиме токовой перегрузки:
- канал 1: напряжение затвор-исток регулирующего 3 и защитного 13 МОП-транзисторов;
- канал 2: напряжение сток-исток управляющего 2 МОП-транзистора.
Масштаб по вертикали:
- канал 1: 5 В на деление;
- канал 2: 5 В на деление.
Масштаб по горизонтали:
- 2 мкс на деление.
На Фиг. 7 показаны осциллограммы переключения интеллектуального силового модуля в режиме тепловой перегрузки:
- канал 3: ток стока устройства (ток стока ТЭУ 1);
- канал 4: ток затвора ТЭУ 1.
Масштаб по вертикали (масштаб амплитуды):
- канал 3: 5 А на деление;
- канал 4: 5 А на деление.
Масштаб по горизонтали (масштаб развертки):
- 2 мкс на деление.
На Фиг. 8 показаны осциллограммы в управляющей цепи интеллектуального силового модуля в режиме тепловой перегрузки:
- канал 1: напряжение затвор-исток регулирующего 3 и защитного 13 МОП-транзисторов;
- канал 2: напряжение сток-исток управляющего 2 МОП-транзистора.
Масштаб по вертикали:
- канал 1: 5 В на деление;
- канал 2: 5 В на деление.
Масштаб по горизонтали:
- 2 мкс на деление.