СИЛОВОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО С ОБРАТНЫМ ДИОДОМ

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.
Известно силовое полупроводниковое устройство, выполненное по схеме «каскодного» ключа, в котором высоковольтный тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ) коммутируется низковольтным МОП-транзистором (пат. США 4663547, 05.05.1987, пат. США 5323028 A, 21.06.1994, пат. РФ 2268545 C2, 20.01.2006).
Недостатком данного устройства является то, что оно является однонаправленным по току и не способно коммутировать ток нагрузки в обратном направлении. При этом отсутствует возможность разряда выходной емкости устройства, а энергия, запасенная в данной емкости, в каждом из тактов коммутации рассеивается в выходной цепи устройства, что приводит к тепловому перегреву элементов устройства.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является силовое полупроводниковое устройство, включающее тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, регулирующий ключевой элемент и обратный диод, при этом сток ТЭУ и катод обратного диода подключены к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, регулирующий ключевой элемент включен между затвором ТЭУ и истоком управляющего МОП-транзистора, а анод обратного диода подключен ко второму силовому выводу (пат. США 4945266, 31.07.1990).
За счет обратного диода, подключенного между первым и вторым силовым выводом, устройство является двунаправленным по току и обеспечивает коммутацию прямого и обратного тока нагрузки. С помощью обратного тока нагрузки в устройстве происходит разряд выходной емкости устройства, что позволяет применять данное устройство в схемах с «мягкой» коммутацией и обеспечивать снижение энергии динамических потерь. Недостатком данного решения является то, что относительно большая входная емкость затвор - исток ТЭУ не может быть разряжена обратным током нагрузки, и в каждом такте коммутации энергия накопленная, в данной емкости рассеивается в канале управляющего МОП-транзистора, что ведет к его дополнительному перегреву.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности работы устройства, а также снижение энергии динамических потерь в элементах устройства за счет предварительного разряда входной емкости затвор - исток ТЭУ обратным током нагрузки.
Технический результат достигается тем, что в силовом полупроводниковом устройстве, включающем тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, регулирующий ключевой элемент и обратный диод, при этом сток ТЭУ и катод обратного диода подключены к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, регулирующий ключевой элемент включен между затвором ТЭУ и истоком управляющего МОП-транзистора, анод обратного диода подключен к истоку ТЭУ.
Сущность предложенного решения поясняется чертежами. На Фиг. 1. представлена схема силового полупроводникового устройства. На Фиг. 2. представлена схема силового полупроводникового устройства, на которой показаны паразитные элементы устройства: входная емкость затвор-исток ТЭУ, выходная емкость сток и исток устройства и внутренний встречно -параллельный диод управляющего МОП-транзистора.
Силовое полупроводниковое устройство содержит высоковольтный тиристор 1 с электростатическим управлением (ТЭУ), сток 2 которого вместе с катодом обратного диода 3 подключены к первому силовому выводу “C” (сток устройства), исток 4 ТЭУ 1 соединен со стоком 5 управляющего МОП-транзистора 6 при этом исток 7 управляющего МОП-транзистора 6 подключен ко второму силовому выводу “И” (исток устройства), а затвор 8 управляющего МОП-транзистора 6 подключен к третьему управляющему выводу “3” (затвор устройства), регулирующий ключевой элемент 9 включен между затвором 10 ТЭУ 1 и истоком 7 управляющего МОП-транзистора 6, а анод обратного диода 3 подключен к истоку 4 ТЭУ 1. Как показано на Фиг.2 между затвором 10 и истоком 4 подключена входная емкость 11 ТЭУ 1, между первым силовым выводом “C” и вторым силовым выводом "И" подключена выходная емкость 12 устройства, а между стоком 5 и истоком 7 управляющего МОП-транзистора 6 подключен его внутренний встречно - параллельный диод 13.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает коммутацию 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”.
Блокированное состояние ключа реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе “З”, соединенном с затвором 8 управляющего МОП-транзистора 6.
Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому ключевому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке, символом Е. При закрытом ключевом устройстве:
2-4
где U - напряжение сток 2 - исток 4 ТЭУ 1.
5-7
U - напряжение сток 5 - исток 7 управляющего МОП-транзистора 6.
Обозначим коэффициент блокирования ТЭУ 1 символом µ. Тогда напряжение сток 5 - исток 7 управляющего МОП-транзистора 6 можно записать как:
I
10-4
где U - напряжение затвор 10 - исток 4 ТЭУ 1.
0
U - напряжение на регулирующем ключевом элементе 9.
0
Напряжение U равно пороговому напряжению регулирующего ключевого элемента 9.
В известных аналогах (пат. США 5323028 A, 21.06.1994, пат. РФ 2268545 C2, 20.01.2006, пат. РФ 74253 U1, 20.06.2008) регулирующий ключевой элемент 9 имеет несколько разновидностей. Однако во всех случаях он представляет собой двунаправленный по току ключ, пороговое напряжение которого составляет величину нескольких единиц вольт.
Поскольку коэффициент блокирования ТЭУ 1 составляет величину равную десяткам и даже сотням единиц, а пороговое напряжение регулирующего ключевого элемента 9 не превышает единиц вольт, в блокированном состоянии устройства практически все внешнее напряжение Е приложено к высоковольтному ТЭУ 1.
Таким образом, при блокированном состоянии рассматриваемого устройства его выходная емкость 12 будет заряжена до величины внешнего напряжения E. При этом входная емкость 11 ТЭУ 1, расположенная между затвором 10 и истоком 4 ТЭУ 1 будет заряжена до напряжения E/µ.
На практике обратный ток в рассматриваемом устройстве, как правило, реализуется в двух случаях: либо это обратный ток нагрузки, когда устройство используется в качестве противофазного ключа в каждой из фаз инвертора напряжения, либо это искусственно созданный обратный ток в схемах с «мягкой» коммутацией, предназначенный для принудительного разряда выходной емкости 12 устройства.
Если обратный диод 3 подключить между первым “С” и вторым силовым выводом “И”, как это реализовано в схеме прототипа, обратный ток будет обеспечивать разряд выходной емкости 12 устройства, а затем переходить в обратный диод 3. Однако при этом не происходит разряда относительно большой входной емкости 11 ТЭУ 1. И в каждом такте коммутации энергия накопленная, в данной емкости рассеивается в канале управляющего МОП-транзистора 6 при его отпирании, что ведет к дополнительному перегреву структуры транзистора 6.
Проведем оценку мощности дополнительных потерь от рассеиваемой энергии в канале управляющего МОП-транзистора 6. При внешнем напряжении E=1000 В и коэффициенте блокирования µ=20, напряжение на входной емкости 11 ТЭУ 1 будет составлять величину 50 В. Величина входной емкости ТЭУ 1 зависит от максимального тока прибора и для мощных тиристоров составляет величину 10-100 нФ. Для типового значения входной емкости 11 ТЭУ 1 величиной 50 нФ, запасенная в ней энергия будет равна 62,5 мкДж. При частоте коммутации устройства 50 кГц в канале управляющего МОП-транзистора 6 будет рассеиваться дополнительная мощность более 3 Вт.
При подключении анода обратного диода 3 к истоку 4 ТЭУ 1, обратный ток нагрузки сначала начинает разряжать выходную емкость 12 устройства. Когда напряжение на выходной емкости 12 уменьшается до величины E/µ, равного напряжению на входной емкости 11 ТЭУ 1 происходит отпирание обратного диода 3. Поскольку регулирующий ключевой элемент 9 является двунаправленным по току, по цепи регулирующий элемент 9 - обратный диод 3 в предложенном устройстве с помощью обратного тока начинается также разряд входной емкости 11 ТЭУ 1. Когда напряжение на выходной емкости 12 устройства и входной емкости 11 ТЭУ 1 снижается до нуля, отпирается внутренний встречно-параллельный диод 13 управляющего МОП-транзистора 6, и обратный ток начинает замыкаться по последовательной цепи открытых диодов 13 и 3.
Пример конкретного исполнения. Устройство представляет собой силовую гибридную схему, выполненную в соответствии с Фиг.1, в которой все элементы в виде отдельных кристаллов напаяны на общую изолирующую подложку, выполненную из алюмооксидной керамики, покрытой медной металлизацией. При этом используется высоковольтный ТЭУ 1 с предельно допустимым напряжением сток 2 - исток 4 величиной 1200 В, коэффициентом блокирования 20 единиц, максимально допустимым током 100 А. Размер кристалла ТЭУ 1 составляет 7×7 мм. В качестве управляющего МОП-транзистора 6 и регулирующего элемента 9 использованы кристаллы n-канальных МОП-транзисторов, имеющие максимально допустимое напряжение сток-исток 75 В, пороговое напряжение 3,0 В, максимально допустимый ток стока 100 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 3,0 мОм. В качестве обратного диода 3 используется кристалл импульсного диода с предельно допустимым напряжением 1200 В, максимальным током 100А и временем обратного восстановления 200 не. Все электрические соединения элементов выполнены ультразвуковой сваркой при помощи алюминиевой проволоки диаметром 300 мкм, присоединенной к контактным площадкам соответствующих элементов.