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 (каскадная схема ключа) (cм. US5323028 А, 21.06.1994).
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, включающее тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и дополнительный n-канальный 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 подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, и связан с истоком дополнительного МОП-транзистора, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу(см. RU 2268545 С2, 20.01.2006).
В указанном устройстве сток дополнительного МОП-транзистора соединен с затвором ТЭУ, а затвор дополнительного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора. При этом происходит противофазное переключение управляющего и дополнительного МОП-транзисторов. Емкость затвор-исток ТЭУ в переходном процессе включения данного устройства разряжается через открытый управляющий МОП-транзистор и внутренний диод в структуре дополнительного МОП-транзистора. При этом разряд указанной емкости также является неполным, и остаточное отрицательное напряжение затвор-исток ТЭУ равно прямому напряжению на внутреннем диоде плюс падение напряжения на открытом управляющем МОП-транзисторе. В свою очередь это приводит к более медленному включению полупроводникового устройства, причем фронт нарастания выходного тока на уровне десятков ампер составляет несколько сотен наносекунд. Проблема
становится более значимой при повышении класса полупроводникового устройства по напряжению, т.к. при этом значительно увеличивается удельное сопротивление базового слоя тиристора с электростатическим управлением. Для быстрого включения требуется не просто разряд емкости затвор-исток ТЭУ, но и дополнительный форсирующий заряд в его входную цепь для эффективной начальной модуляции указанного базового слоя. По этой причине в известном устройстве предлагается ввести форсирующую цепочку, причем конденсатор данной цепочки включается между затворами ТЭУ и управляющего МОП-транзистора. Однако эффективность указанного решения значительно снижается из-за конечной скорости выключения дополнительного МОП-транзистора, который шунтирует входную цепь ТЭУ как раз на этапе заряда форсирующего конденсатора. Другим недостатком данного решения является то, что форсирующий конденсатор, подключенный подобным образом, оказывается фактически параллельным входной цепи ключа, что значительно увеличивает его входную емкость, ведет к дополнительной перегрузке формирователя импульсов управления, ухудшает динамику переключения.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в улучшении динамических параметров переключения полупроводникового устройства:
1. Входная емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, заряженная в переходном процессе выключения устройства, в переходном процессе включения устройства разряжается во входную цепь ТЭУ, обеспечивая быстрое его включение и начальную модуляцию базового слоя ТЭУ за счет соединения затвора дополнительного МОП-транзистора с затвором ТЭУ.
2. Входная емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора не увеличивает входную емкость самого устройства.
3. Необходимый форсирующий заряд для быстрого включения устройства и модуляции базового слоя ТЭУ накапливается во входной емкости затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора в переходном процессе выключения устройства, за счет введенного в устройство диода, анод которого соединен со стоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом катод диода соединен с затвором ТЭУ.
4. В переходном процессе выключения устройства вспомогательный МОП-транзистор находится в режиме насыщения, при этом обеспечивается минимальная динамическая перегрузка управляющего МОП-транзистора по напряжению за счет фиксации на требуемом уровне данного напряжения введенным в устройство диодом.
5. В схеме устройства не используется дополнительный элемент -форсирующий конденсатор, т.к. его роль выполняет входная емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора.
Технический результат достигается тем, что в силовом полупроводниковом ключевом устройстве, включающем тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и вспомогательный n-канальный 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 подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, и связан с истоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, затвор вспомогательного МОП-транзистора соединен с затвором ТЭУ, в устройство введен диод, анод которого соединен со стоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом катод указанного диода соединен с затвором ТЭУ.
На Фиг.1 представлено полупроводниковое устройство ключевого типа.
На Фиг.2 представлена осциллограмма переключения устройства по току (напряжение затвор-исток устройства и выходной ток стока устройства).
На Фиг.3 - осциллограмма переключения устройства по напряжению (напряжение сток-исток устройства и напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора).
На Фиг.4 - осциллограмма напряжения управления (напряжение затвор-исток устройства и напряжение затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора).
Полупроводниковое устройство содержит высоковольтный тиристор 1 с электростатическим управлением (ТЭУ), включенный последовательно с ним низковольтный управляющий МОП-транзистор 2, вспомогательный 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, дополнительный МОП-транзистор содержит область истока 10, область стока 11 и затвор 12. Между истоком 10 и стоком 11 вспомогательного МОП-транзистора 3 пунктиром показан его внутренний обратный диод 13.
ТЭУ, управляющий и дополнительный МОП-транзисторы 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 2, исток 7 которого подключен ко второму силовому выводу "И" (исток устройства), служащему общей шиной, и связан с истоком 10 вспомогательного МОП-транзистора 3, при этом затвор 9 управляющего МОП-транзистора 2 подключен к третьему управляющему выводу "3" (затвор устройства).
Затвор 12 вспомогательного МОП-транзистора 3 соединен с затвором 6 ТЭУ, в устройство введен диод 14, анод 15 которого соединен со стоком 11
вспомогательного МОП-транзистора 3, при этом катод 16 указанного диода 14 соединен с затвором 6 ТЭУ.
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 "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 ТЭУ
где U - напряжение сток-исток ТЭУ, В.
DS МОП1
U - напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора, В. Обозначим коэффициент блокирования ТЭУ символом μ. Тогда напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора можно записать как:
GS ТЭУ
где U - напряжение затвор-исток ТЭУ, В.
GS МОП2
U - напряжение затвор-исток дополнительного МОП-транзистора, В.
GS МОП2
Напряжение U устанавливается во входной цепи дополнительного МОП-транзистора при выключении устройства и равно сумме падений напряжений: обратного на диоде 14 и напряжения на сопротивлении сток-исток открытого вспомогательного МОП-транзистора 3, когда через диод 14 и дополнительный МОП-транзистор протекает импульс обратного тока затвора 6 ТЭУ. Таким образом:
KA
где U - обратное напряжение на диоде 14, В.
З
I - ток затвора ТЭУ, А.
DS(on)2
R - сопротивление сток-исток открытого дополнительного МОП-транзистора, Ом.
Диод 14, введенный в устройство, является полупроводниковым ограничителем напряжения (Suppressor), который при протекании обратного тока затвора ТЭУ находится на участке обратимого пробоя, что по принципу действия аналогично стабилитрону или диоду Зенера. Отличительной чертой таких диодов является способность поглощения относительно большой мощности на этапе Зенеровского пробоя (несколько тысяч Вт), высокое быстродействие (единицы нc), малое дифференциальное сопротивление (единицы мОм), надежная фиксация напряжения.
0
DS(оn)2
З
DS(оn)2
0
Обозначим напряжение, фиксируемое диодом 14, как U. Применяемый во входной цепи ТЭУ вспомогательный МОП-транзистор является низковольтным, и его сопротивление К относительно невелико (единицы мОм). При токах нагрузки равных десяткам ампер напряжение I·R составляет не более 0,1 В и по сравнению с U (единицы В) им можно пренебречь. Таким образом:
Следовательно, уравнение (3) можно переписать как:
В существующих технологиях реализации структуры ТЭУ не существует физических и технологических причин, препятствующих достижению практически любой необходимой величины коэффициента блокирования μ. Это позволяет, согласно уравнению (6), применить также низковольтным и управляющий МОП-транзистор с малым сопротивлением сток-исток в открытом состоянии - порядка единиц миллиом.
0
Т.о. в блокированном состоянии устройства практически все внешнее напряжение Е согласно уравнению (2) приложено к высоковольтному ТЭУ, вспомогательный МОП-транзистор открыт (U выше его порога отпирания), а напряжение на закрытом управляющем МОП-транзисторе относительно невелико.
Включение устройства производится подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод "З". При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора, что обеспечивает его включение.
Емкость управляющего р-n перехода затвор 6 - исток 4 ТЭУ заряжена перед включением до отрицательного напряжения, определяемого в соответствии с уравнением (3):
Для достижения необходимой скорости включения устройства необходимо достаточно быстро разрядить данную емкость. При включении управляющего МОП-транзистора емкость затвор-исток ТЭУ будет форсированно разряжаться при помощи емкости затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора. Как отмечалось выше, необходимо также обеспечить поступление дополнительного заряда во входную цепь высоковольтного ТЭУ после полного разряда емкости затвор-исток ТЭУ, когда управляющий p-n переход ТЭУ смещается в прямом направлении.
Д
Обозначим величину дополнительного заряда как Q, тогда необходимо потребовать, чтобы заряд, накопленный во входной емкости затвор 12 - исток 10 вспомогательного МОП-транзистора удовлетворял условию:
ЗИ МОП2
где С - емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, нФ.
ЗИ
ТЭУ
С- емкость затвор-исток ТЭУ, нФ.
Неравенство (8) позволяет для заданного ТЭУ подобрать соответствующие параметры вспомогательного МОП-транзистора 3 и диода 14.
По окончании переходного процесса включения емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора разряжается, данный транзистор запирается, а на устройстве падает прямое напряжение:
(оn)ТЭУ
где U - падение напряжения на открытом ТЭУ, В.
DS(on)1
R - сопротивление сток-исток открытого управляющего МОП-транзистора, Ом.
С
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 "3" до нулевого значения. При этом происходит разряд входной емкости управляющего МОП-транзистора, после чего данный транзистор запирается. Потенциал стока 8 управляющего МОП-транзистора начинает увеличиваться, при этом растет отрицательное напряжение во входной цепи затвор-исток ТЭУ (в начальный момент времени потенциал затвора ТЭУ определяется практически нулевым напряжением затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора). При этом в базовом слое ТЭУ формируется область пространственного заряда, и напряжение на устройстве увеличивается.
С
GS МОП2
0
0
0
0
0
ЗИ МОП2
В цепи затвора ТЭУ при этом появляется импульс обратного тока по амплитуде практически равный току нагрузки I. Данный импульс тока начинает заряжать емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, и при увеличении напряжения во входной цепи указанного МОП-транзистора выше порогового, последний отпирается. Однако ток стока вспомогательного МОП-транзистора появляется только после включения ограничительного диода 14, когда напряжение U становится равным величине U. Поскольку напряжение на емкости затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора далее фиксируется диодом 14 на уровне U, энергия, запасаемая в данной емкости, равна . Вспомогательный МОП-транзистор находится в насыщенном состоянии (так как напряжение U превышает его пороговое напряжение включения). Поэтому другая часть энергии от протекания импульса обратного тока затвора ТЭУ, равная произведению заряда тока, проходящего через диод 14 на напряжение U, практически полностью поглощается диодом 14. Т.о. выбор диода 14 необходимо проводить как по требуемой величине U, так и с учетом его способности поглотить оставшуюся после заряда емкости С энергию импульса обратного тока.
DS(on)1
Предлагаемое ключевое устройство сохраняет свою работу также в режиме кратковременных токовых перегрузок. При увеличении тока нагрузки выше некоторой величины, определяемой выходной характеристикой управляющего МОП-транзистора, последний переходит из режима насыщения с малым сопротивлением R в активную область работы, что означает рост его выходного напряжения сток 8 - исток 7. Это в свою очередь приводит к
увеличению отрицательного напряжения на управляющем р-n переходе ТЭУ и далее аналогично процессам при запирании устройства. Отличие заключается в том, что в цепи затвора ТЭУ начинает протекать часть тока перегрузки, 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 величины управляющего напряжения и крутизны данного транзистора.
При первом начальном включении устройства (режим пуска) емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора не заряжена и имеет нулевое напряжение. В этом случае разряд емкости затвор-исток ТЭУ проходит по контуру: открытый управляющий МОП-транзистор 2 - внутренний обратный диод 13 вспомогательного МОП-транзистора 3 - диод 14. Т.о. диод 14, ограничивающий напряжение, должен выбираться однонаправленным (Unidirectional).
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 100 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 3,0 мOм, входную емкость затвор-исток 20 нФ. Примененный в устройстве диод имеет следующие параметры: импульсная рассеиваемая мощность 1500 Вт, максимальный импульсный ток 100 А, напряжение ограничения 7 В, дифференциальное сопротивление на участке ограничения 4,3 мOм, 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 40 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, 4 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;
- входная цепь: 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.
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 1:10 В на деление;
- канал 3:5 А 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 сток-исток управляющего МОП-транзистора;
- канал 2: напряжение сток-исток устройства.
Масштаб по вертикали:
- канал 1:20 В на деление;
- канал 2:100 В на деление.
Масштаб по горизонтали:
- 200 нс на деление.
На Фиг.4 показано напряжение управления:
- канал 1: напряжение затвор-исток управляющего МОП-транзистора;
- канал 2: напряжение затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора.
Масштаб по вертикали:
- канал 1:10 В на деление;
- канал 2:5 В на деление.
Масштаб по горизонтали:
- 200 нс на деление.