ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО КЛЮЧЕВОГО ТИПА

Предложение 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 4945266A, 31.07.1990).
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 MOS Composite Static Induction Thyristor, включающее диод, содержащий анод и катод, тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий МОП-транзистор и дополнительный 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 соединен с анодом диода и подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу и соединен с затвором дополнительного МОП-транзистора (cм. US 5323028А, 21.07.1994).
В указанном устройстве управляющий МОП-транзистор является n-канальным прибором, а дополнительный - наоборот, р-канальным, что позволяет осуществлять комплиментарное управление обоими МОП-транзисторами, т.к. их затворы взаимно соединены.
Данное ключевое устройство имеет ряд недостатков:
1. Емкость затвор-исток ТЭУ в переходном процессе включения устройства разряжается через открытый управляющий МОП-транзистор и диод, причем этот разряд является неполным. Остаточное отрицательное напряжение затвор-исток ТЭУ равно прямому падению напряжения на диоде плюс падение напряжения на открытом управляющем МОП-транзисторе. Это приводит к медленному включению полупроводникового устройства, а
фронт нарастания выходного тока составляет несколько сотен наносекунд, что является не лучшим показателем для приборов с полевым управлением. Проблема становится более значимой при повышении класса полупроводникового устройства по напряжению, т.к. при этом значительно увеличивается удельное сопротивление базового слоя ТЭУ. При этом для быстрого включения требуется не просто разряд емкости затвор-исток ТЭУ, но и дополнительный форсирующий заряд во входную цепь ТЭУ для эффективной начальной модуляции высокоомного базового слоя.
2. Применяемый в качестве дополнительного р-канальный МОП-транзистор имеет в свою очередь ряд недостатков: существенно меньшая подвижность носителей, более узкая область безопасных режимов, больший размер площади кристалла, увеличенные паразитные емкости транзистора.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении динамических параметров переключения устройства.
1. Устранены недостатки, свойственные р-канальному МОП-транзистору, путем его замены на аналогичный n-канальный прибор.
2. Улучшены динамические параметры переключения устройства за счет того, что сток вспомогательного МОП-транзистора соединен с катодом диода, а исток указанного транзистора подключен к затвору ТЭУ. При этом входная емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора выполняет роль форсирующего конденсатора, разряжая емкость затвор-исток ТЭУ и обеспечивая дополнительный заряд в базовую область ТЭУ.
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом ключевом устройстве, включающем диод, содержащий анод и катод, тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор 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 соединен с анодом диода и подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу и соединен с затвором вспомогательного МОП-транзистора, вспомогательный МОП-транзистор является n-канальным и его сток соединен с катодом диода, при этом исток вспомогательного МОП-транзистора подключен к затвору ТЭУ.
На Фиг.1 представлено полупроводниковое устройство ключевого типа.
На Фиг.2 представлены осциллограммы переключения устройства по току (управляющее напряжение затвор-исток устройства и ток стока устройства
На Фиг.3. - осциллограммы переключения устройства по напряжению (напряжение затвор-исток устройства и напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора).
Полупроводниковое устройство (Фиг.1) содержит высоковольтный тиристор 1 с электростатическим управлением (ТЭУ), включенный последовательно с ним низковольтный управляющий МОП-транзистор 2 и низковольтный вспомогательный МОП-транзистор 3, при этом ТЭУ содержит область истока 4, область стока 5, затвор 6, управляющий МОП-транзистор содержит область истока 7, область стока 8, затвор 9, вспомогательный МОП-транзистор содержит область истока 10, область стока 11, затвор 12. Устройство содержит также диод 13, имеющий области анода 14 и катода 15. Между истоком и стоком вспомогательного МОП-транзистора пунктиром показан его внутренний обратный диод 16.
ТЭУ, управляющий и вспомогательный МОП-транзисторы, а также диод 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, исток 10 которого соединен с анодом 14 диода 13 и подключен ко второму силовому выводу "И" (исток устройства), служащему общей шиной, при этом затвор 9 управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу "3" (затвор устройства) и соединен с затвором 12 вспомогательного МОП-транзистора. Вспомогательный транзистор 3 представляет собой n-канальный МОП-транзистор, его сток 11 соединен с катодом 15 диода 13, при этом исток 10 вспомогательного МОП-транзистора подключен к затвору 6 ТЭУ.
Заявляемое 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. Аналогично в закрытом состоянии находится и вспомогательный МОП-транзистор, т.к. его затвор 12 соединен с затвором 9 управляющего МОП-транзистора.
Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому ключевому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке, символом Е. При отсутствии тока в закрытом устройстве:
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:
КА
где U - напряжение катод-анод диода, В
SD МОП2
U - напряжение исток-сток вспомогательного МОП-транзистора, В
GS ТЭУ
U - напряжение затвор-исток ТЭУ, В.
ka
Примененный в устройстве диод 13 является полупроводниковым ограничителем напряжения (Supressor) и имеет вольт-амперную характеристику аналогичную характеристике стабилитрона. Однако данный диод позволяет поглощать значительно большую энергию (рассеиваемая импульсная можность составляет несколько тысяч ватт), имеет малое время срабатывания (единицы нс), малое дифференциальное сопротивление на участке стабилизации напряжения (единицы миллиом), которое надежно фиксирует. В отсутствии тока в цепи затвора закрытого ТЭУ напряжение U относительно мало (определяется током утечки затвора ТЭУ), а в переходном процессе выключения равно напряжению ограничения диода 13, которое выбирается не более 10 В.
SD
МОП2
Напряжение U по существу является напряжением анод-катод внутреннего диода в структуре вспомогательного МОП-транзистора, которое также невелико.
DS тэу
В существующих технологиях реализации структуры ТЭУ не существует физических и технологических причин, препятствующих достижению практически любой заданной величины коэффициента блокирования μ, и составляющая U/μ также является относительно малой величиной (не более 10-15 В).
Т.о. согласно уравнению (3) в устройстве возможно применение низковольтного управляющего МОП-транзистора с малым сопротивлением в открытом состоянии (единицы миллиом), в режиме блокирования практически все внешнее напряжение Е прикладывается к ТЭУ.
Включение устройства производится подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод "З". При этом сначала происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора, а после достижения порогового значения и индуцирования проводящего канала в данном транзисторе и заряд входной емкости вспомогательного МОП-транзистора по цепи: затвор устройства "З" - емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора - емкость затвор-исток ТЭУ -проводящий канал управляющего МОП-транзистора - общая шина. Т.о. при
заряде емкости затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора автоматически разряжается емкость затвор-исток ТЭУ. Для получения требуемой скорости включения высоковольтного ТЭУ, а значит и всего устройства, необходимо быстро разрядить данную емкость ТЭУ и после смещения его управляющего р-n перехода в прямом направлении обеспечить некоторый дополнительный заряд для начальной модуляции высокоомного базового слоя ТЭУ. Если обозначить дополнительный заряд Од, то следует потребовать, чтобы заряд, запасаемый емкостью затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, удовлетворял условию:
ЗИ МОП2
где С - емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, нФ
ЗИ ТЭУ
С - емкость затвор-исток ТЭУ, нФ
Г
Е - амплитуда импульса управления, поступающего на вход "3" устройства, В.
По окончании переходного процесса включения на устройстве устанавливается прямое напряжение:
(ОN)TЭУ
где U - падение напряжения на открытом ТЭУ, В.
DS(on)1
R - сопротивление сток-исток управляющего МОП-транзистора, Ом.
С
I - ток устройства в открытом состоянии, А.
С
DS(on)1
DS(on)1
0
Составляющая I·R в формуле (5) представляет собой напряжение отрицательной обратной связи по отношению к входной цепи затвор-исток ТЭУ. Несмотря на относительно малое сопротивление R эта составляющая заметно увеличивает остаточное напряжение на открытом ТЭУ, если последний работает в режиме заземленного затвора. Поэтому в устройстве применен диод 13, напряжение ограничения которого U должно удовлетворять условию:
В этом случае при включенном устройстве в цепи управления ТЭУ реализуется так называемый режим оборванного затвора. При этом напряжение отрицательной обратной связи, при выполнении условия (6), не оказывает влияния на прямое смещение в цепи затвор-исток ТЭУ.
0
Выключение устройства производится переключением напряжения на управляющем выводе "З" до нулевого значения. При этом происходит разряд входных емкостей обоих МОП-транзисторов, после чего данные транзисторы запираются. Потенциал стока 8 управляющего МОП-транзистора начинает увеличиваться, при этом растет падение напряжения в цепи катод-анод диода 13 (р-n переход ТЭУ как и обратный диод 16 вспомогательного МОП-транзистора смещены в прямом направлении). Когда напряжение на диоде 13 достигает значения U, диод 13 выходит на участок стабилизации напряжения. Дальнейший рост потенциала стока 8 управляющего МОП-
C
0
транзистора приводит к отрицательному смещению в цепи затвор-исток ТЭУ. При этом через затвор ТЭУ начинает протекать импульс обратного тока, по амплитуде равный току стока устройства I. Обратный ток затвора ТЭУ через открытый внутренний диод 16 вспомогательного МОП-транзистора и диод 13 стекает на общую шину, при этом диод 13 начинает поглощать энергию, равную произведению заряда обратного тока затвора ТЭУ на напряжение фиксации U. Т.о. диод 13 следует выбирать также с учетом максимально допустимого значения импульсной мощности, рассеиваемой в нем в переходном процессе выключения устройства. Затем ТЭУ запирается и принимает на себя практически все внешнее напряжение Е, а во входной цепи ТЭУ устанавливается отрицательное напряжение затвор-исток:
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 в активную область работы, что означает рост его выходного напряжения сток 8 - исток 7. Это в свою очередь, как было показано ранее, приводит к увеличению отрицательного напряжения на управляющем р-n переходе ТЭУ и к появлению обратного тока затвора ТЭУ. Отличие заключается в том, что в цепи затвора ТЭУ начинает протекать часть тока перегрузки устройства, 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 значения управляющего напряжения и крутизны данного транзистора.
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) 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 55 В, пороговое напряжение 2,1...4,0 В, максимально допустимый ток стока 80 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 4,6 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 7В,
дифференциальное сопротивление на участке ограничения 4,3 мОм, ток утечки не более 50 мкА. 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 не более 100 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;
г
- входная цепь: Е=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.
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: 10В на деление;
- канал 3: 5А 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: 10 В на деление.
Масштаб по горизонтали:
- 200 нс на деление