Способ быстрого включения силового транзистора с изолированным затвором и устройства с его использованием
METHOD FOR FAST SWITCHING ON OF POWER TRANSISTOR WITH ISOLATED GATE AND DEVICE WITH USE THEREOF

Изобретение относится к электротехнике, а именно к импульсной технике и может быть использовано в приборостроении и силовой электронике.
С середины 70-х годов, когда появились полевые транзисторы (МОП, MOSFET), пригодные для силовых устройств, одной из основных проблем управления ими является наличие существенной емкости Cgd между стоком и затвором. В ключевом режиме, в частности, эта емкость образует отрицательную обратную связь (ООС) между входом и выходом МОП транзистора. Это явление известно как эффект Миллера и оно является препятствием к достижению основной цели ключевого режима - переключения между состояниями с наибольшим и наименьшим сопротивлением за минимально короткое время. Здесь под «входом» подразумевается затвор МОП, поскольку управление по затвору в схеме с общим истоком - это единственный используемый способ управления приборами этого вида, а также и биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT). Этот способ управления и определяет то, что, несмотря на несомненные успехи в технологии микроэлектроники и схемотехнические решения по борьбе с эффектом Миллера, известная «ступенька» при заряде-разряде затвора присутствует во всех паспортах на транзисторы с изолированным затвором в качестве имманентного свойства и остается препятствием для получения коротких фронтов в силовой электронике. Основные потери на переключение в силовых транзисторах с изолированным затвором можно грубо представить в виде интеграла по времени от произведения напряжения сток-исток на ток стока. Поэтому рассеиваемая в приборе мощность прямо зависит от длительности фронта, причем большая часть потерь на тепло происходит во время прохождения «ступеньки или плато Миллера». От длительности переключения зависит также частота переключений, а, следовательно, индуктивность накопителей энергии в импульсных источниках питания и в конечном счете их массогабаритные показатели.
Одна из классических схем, в которых используется упомянутый выше способ управления силовым транзистором с изолированным затвором (ТИЗ) (MOSFET, IGBT), в котором мощный транзистор включают по схеме с общим истоком, и управление осуществляют зарядом или разрядом затвора, подключая к нему специальные драйверы, приведена в известном руководстве: (У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника» Т. II, М. 2008, Рис. 16.39.). К этой схеме полностью применима изложенная выше проблема тепловых потерь на переключение ТИЗ. Другими словами, недостатком этого способа являются повышенные энергетические потери. Так как токи драйверов затвора ограничены по многим причинам, фронты при переключениях остаются значительными и, таким образом, существующий способ управления ТИЗ непригоден и для импульсной техники с точки зрения получения мощных прямоугольных импульсов высокого качества.
Известен формирователь импульсов с запуском мощного СВЧ МДП-транзистора от лавинного (В.П. Дьяконов Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с 297, Рис. 5.63а). СВЧ МДП-транзистор включен по схеме с общим истоком, и затвор соединен с нагрузочным выводом накопительного конденсатора лавинного генератора. Переход затвор-исток МДП-транзистора зашунтирован резистором утечки зарядного тока накопительного конденсатора.
Недостатками этого устройства являются малая мощность импульса, обусловленная допустимым напряжением стока, и дороговизна применяемых СВЧ МДП-транзисторов.
Известен генератор прямоугольных импульсов с раздельным формированием фронта и среза (В.П. Дьяконов Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с 278, Рис. 5.356). Фронт импульса на нагрузке и заряд емкости нагрузки обеспечивает первый лавинный транзистор, затем включение второго лавинного транзистора прерывает связь с первым транзистором и одновременно разряжает емкость нагрузки.
Недостатком этого устройства является невозможность расширения импульса вследствие саморазряда емкости нагрузки и малая мощность импульса.
Известны силовые ключи импульсного преобразователя питания (У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника» Т. II, М. 2008, Рис. 16.60, 16.61), в которых для управления мощным МОП-транзистором применяются низкоомные драйверы. Недостатком этих ключей являются уже упомянутые энергетические потери, обусловленные эффектом Миллера и длительностью фронтов переключения.
Задачей изобретения является уменьшение энергетических потерь и улучшение массогабаритных показателей импульсных источников питания, а также расширение функциональных возможностей генераторов импульсов за счет повышения качества импульсов. Исходя из вышеизложенного, для этого необходимо избавиться от эффекта Миллера путем применения совершенно нового способа управления силовыми ТИЗ.
Техническим результатом изобретения является возможность получения мощных импульсов тока или напряжения регулируемой длительности с короткими фронтами.
Предлагаемое изобретение направлено на создание способа включения силовых транзисторов с изолированным затвором (ТИЗ), позволяющего создавать схемы силовых ключей и формирователей импульсов повышенной мощности. Эти устройства должны производить импульсы разной длительности с короткими фронтами. Способ должен позволять генерировать прямоугольные импульсы регулируемой в широких пределах длительности и заданной амплитуды.
Предлагаемое изобретение направлено на создание схем формирователей наносекундных импульсов повышенной мощности разной длительности с короткими фронтами и силовых ключей с быстрым включением.
Поставленная задача решается и технический результат достигается способом включения силового транзистора с изолированным затвором, в котором затвор заземляют, а на исток или эмиттер ТИЗ подают открывающий импульс тока наносекундной длительности.
Поставленная задача решается и технический результат достигается формирователем мощных импульсов регулируемой длительности, содержащим n-канальный МОП-транзистор, включаемый по вышеуказанному способу включения силового транзистора с изолированным затвором, сток которого через нагрузку соединен с плюсом источника питания, затвор - с катодом диода, анод которого соединен с общим проводом, исток МОП-транзистора соединен с анодом стабилитрона, катод которого соединен с общим проводом.
Указанный технический результат достигается в изобретении благодаря использованию положительной обратной связи (ПОС), возникающей при подаче открывающего импульса на исток ТИЗ с предварительно заземленным затвором. В отличие от биполярного транзистора, схема с общей базой которого повышает верхнюю частотную границу усиления ввиду отсутствия сколько-нибудь значительной емкости коллектор-эмиттер, МОП-транзистор имеет значительную емкость сток-исток, которая не указывается в документации, но вычисляется по формуле Cds=Coss-Crss (У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника» Т. I, М. 2008, стр. 254).
Как уже было замечено выше, включение силовых транзисторов с заземленным затвором производителями MOSFET и IGBT не предусмотрено, и в переключательных схемах на практике не применяется. Однако ПОС, возникающая в этой схеме при подаче на исток открывающего импульса, например, от лавинного генератора, приводит к возникновению на стоке фронта выходного импульса более короткого, чем у входного импульса. Таким образом, изобретение позволяет увеличить частоту переключений и снизить индуктивность накопителей энергии в импульсных преобразователях. Результатом изобретения является снижение энергетических потерь на переключение силовых ТИЗ и улучшение массогабаритных показателей импульсных источников питания.
Предлагаемый способ включения уравнивает с n-канальными MOSFET по скорости включения не только р-канальные MOSFET но и IGBT.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена электрическая схема силового ключа на р-канальном МОП-транзисторе с применением предлагаемого способа, на фиг. 2 представлена схема формирователя мощных импульсов регулируемой длительности по предлагаемому способу с применением n-канального MOSFET и на фиг. 3 представлена схема силового ключа импульсного блока питания на IGBT с использованием предлагаемого способа.
Так как внешние задающие генераторы (ЗГ), присутствующие на приведенных схемах, предметом изобретения не являются, а схемы используемых лавинных генератора являются типовыми (В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 188, Рис. 4.10, а-г), описание их работы не приводится.
Силовой ключ фиг. 1 содержит р-канальный МОП-транзистор 1, нагрузку 2, соединяющую сток МОП-транзистора с источником питания Ес, стабилитрон 3, включенный в прямом направлении между общим проводом и истоком, и импульсный диод 4, включенный в прямом направлении между затвором и общим проводом. В качестве примера ЗГ изображен релаксационный генератор 5 на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора и с разрядом накопительного конденсатора. Токовый импульс ЗГ достаточной амплитуды с эмиттера лавинного транзистора поступает на исток МОП-транзистора в открывающем направлении, то есть положительной полярности, заряжая затвор, что происходит очень быстро в самом начале возрастания тока входного импульса. Причиной этого является положительная обратная связь, возникающая через емкость сток-исток МОП-транзистора с предварительно заземленным затвором при подаче на исток открывающего импульса после того, как заряд затвора достигнет порога открывания. Весь заряд затвора происходит при открытом переходе диода, что в образованной схеме с общим затвором эквивалентно заземлению. Уже упомянутое выше действие ПОС определяет короткий передний фронт импульса напряжения на истоке. При этом, в частности, на истоке формируется импульс, по амплитуде сравнимый с допустимым напряжением затвор-исток, которое обычно равно 20 В, с более коротким фронтом, а выходное сопротивление истока в качестве генератора не превосходит 1-2 Ом. Этому фронту соответствует резкое возрастание потенциала стока с коротким фронтом в самом начале процесса.
По достижении зарядом затвора уровня порога включения МОП-транзистор начинает открываться и потенциал стока растет. С этого момента начинает действовать разрядный ток емкости сток-исток, равный , который складывается с током ЗГ на участке затвор-исток, ускоряя дальнейший заряд затвора и полное открывание МОП-транзистора. Разряд емкости сток-затвор замыкается через диод и не оказывает влияния на заряд затвора. Одновременно происходит увеличение тока нагрузки, равного . Таким образом, в процессе формирования фронта до полного открытия МОП-транзистора в его канале действуют в противоположных направлениях почти постоянный ток разряда емкости сток-исток и увеличивающийся ток нагрузки. После полного открытия канала ток нагрузки остается почти постоянным, пока спадающий ток импульса ЗГ не становится меньше тока нагрузки. Разность этих токов понижает потенциал истока и открывает стабилитрон в прямом направлении. Одновременно потенциал заряженного затвора понижается на ту же величину, и диод оказывается заперт в обратном направлении. В результате этого процесса канал МОП-транзистора остается полностью открытым, и через нагрузку течет постоянный ток. При запертом диоде 4 и открытом в прямом направлении стабилитроне приведенная схема эквивалентна включению с общим истоком. Силовой ключ может быть выключен обычным способом драйвером затвора, замыканием затвора с общим проводом с помощью реле и т.п. Стабилитрон 3 предохраняет затвор от перенапряжения.
Формирователь фиг. 2 содержит n-канальный МОП-транзистор 1, нагрузку 2, стабилитрон 3 и диод 4. Кроме того, на схеме присутствуют задающие генераторы 5 и 6, в качестве которых используется релаксационный генератор на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора и с зарядом накопительного конденсатора. Ждущий ЗГ 5 в момент t1 включает МОП-транзистор со стороны истока. При включении происходят те же процессы, что и в схеме фиг. 1, но с обратными знаками токов и потенциалов. В образовавшейся в результате включения схеме с общим истоком ЗГ 6 в момент t2 разряжает затвор. Благодаря мощному импульсу от ЗГ затвор разряжается быстро до окончания импульса от ЗГ. МОП-транзистор закрывается, после чего начинается сравнительно медленный процесс заряда емкостей сток-затвор и сток-исток через сопротивление нагрузки, при котором ток заряда емкости сток-затвор (эффект Миллера) поглощается лавинным транзистором в режиме остаточного насыщения, благодаря чему паразитный перезаряд затвора не происходит. В этом процессе канал МОП-транзистора не участвует, так как сопротивление канала максимально и выделение тепла не происходит.
Длина выходного импульса, снимаемого со стока, равна интервалу времени t2-t1. Она ограничена сверху саморазрядом затвора в реальной схеме и тепловыми ограничениями МОП-транзистора, а снизу - переходными процессами после включения МОП-транзистора, которые имеют длительность десятков наносекунд. На выходе формирователя получается прямоугольный импульс с коротким передним фронтом. Задний фронт зависит от скорости заряда упомянутых емкостей МОП-транзистора, а именно от величины нагрузки 2. Если требуется существенное увеличение амплитуды импульса по напряжению, МОП-транзистор в схеме формирователя может быть заменен на БТИЗ (IGBT).
Силовой ключ импульсного блока питания фиг. 3 содержит силовой биполярный транзистор с изолированным затвором 1, нагрузку 2, импульсный диод 3, разделительный конденсатор 4, стабилитрон 5 и диод Шоттки 6. Кроме того, на схеме присутствуют задающие генераторы 7 и 8, в качестве которых используется, например, релаксационный генератор на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристикой со стороны коллектора и с разрядом накопительного конденсатора. Ждущий ЗГ 7 в момент t1 включает биполярный транзистор с изолированным затвором со стороны эмиттера. При включении происходят те же процессы, что и в схеме фиг. 1, но с обратными знаками токов и напряжений. В результате включения БТИЗ при запертом диоде 4 и открытых в прямом направлении стабилитроне 5 и диоде Шоттки 6 приведенная схема эквивалентна включению с общим истоком. Ждущий ЗГ 8 в момент t2 разряжает затвор. Благодаря мощному импульсу от ЗГ затвор заряжается быстро и БТИЗ оказывается запертым. После этого начинается сравнительно медленный процесс заряда емкостей коллектор-затвор и коллектор-эмиттер через импеданс нагрузки, при котором ток заряда емкости коллектор-затвор (эффект Миллера) шунтируется цепью: разделительный конденсатор 4 - нагрузочный резистор лавинного генератора ЗГ 8, благодаря чему паразитный перезаряд затвора не происходит. Интервал времени t2-t1 равен длине выходного импульса тока в нагрузке. Он ограничен сверху саморазрядом затвора в реальной схеме и токовыми ограничениями индуктивности нагрузки, а снизу - переходными процессами после его включения, которые измеряются десятками наносекунд. Нагрузка 2 коллектора биполярного транзистора с изолированным затвором представляет собой накопительный дроссель или первичную обмотку трансформатора импульсного блока питания. Диод Шоттки 6 минимизирует потери на коммутацию. Силовой БТИЗ в устройстве может быть заменен на МОП-транзистор.
Сокращение длины фронтов переключения уменьшает термовыделение в ТИЗ и позволяет увеличить частоту переключения в импульсных блоках питания, что в свою очередь приводит к уменьшению индуктивности дросселей и трансформаторов.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет улучшить массогабаритные показатели и уменьшить энергетические потери.