DE3019210A1 - VMOS FET switching device - has bipolar power transistors connected in parallel and biassed at working point below saturation - Google Patents
VMOS FET switching device - has bipolar power transistors connected in parallel and biassed at working point below saturationInfo
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Abstract
Description
Schaltvorrichtung sowie Verfahren zu derenSwitching device and method for their
Betrieb und Herstellung Schaltvorrichtung sowie Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung Die Erfindung betrifft eine insbesondere integrierte Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 14, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 11 bzw. 25 und insbesondere eine Schaltvorrichtung, die Bipolar- und Feldeffekttransistoren gemeinsam enthält. Operation and manufacture Switching device as well Method for their operation and manufacture. The invention relates in particular to one integrated switching device according to the preamble of claim 1 or 14, and a method for their operation and production according to the preamble of the patent claim 11 or 25 and in particular a switching device, the bipolar and field effect transistors contains together.
Bisher werden Metall-Oxid-Halbleiter (MOS- bzw. MIS-Vorrichtungen) in Niederleistungs-Digital-Schaltungen und Leistungs-Bipolar-Transistoren, Bipolar-Darlington-Schaltungen und gesteuerte Siliziumgleichn richter (im folgenden auch als SCR bezeichnet) für Hochleistungs-Anwendungen vorgesehen. Bipolar-Transistoren , die nahe bei ihrem Nennstrom und ihrer Nennspannung betrieben sind, werden leicht durch Strom-Einschaltstöße beschädigt und weisen einen positiven Strom-Temperaturkoeffizienten auf, der zu einer thermischen Instabilität führen kann, wenn derartige Vorrichtungen parallel verbunden sind, zumal sich bestimmte Bereiche des Substrats der Bipolar-Transistoren unter strengen Betriebsbedingungen erwärmen, was eine Beschädigung oder Zerstörung des Transistors bzw. der Transistoren hervorruft.So far, metal oxide semiconductors (MOS or MIS devices) in low power digital circuits and power bipolar transistors, bipolar Darlington circuits and controlled silicon rectifier (hereinafter also referred to as SCR) for High performance applications intended. Bipolar transistors that are close to their rated current and voltage are operated are easily damaged by power surges and have a positive current temperature coefficient, which leads to thermal instability can lead when such devices are connected in parallel, especially since certain Areas of the substrate of the bipolar transistors under severe operating conditions heat, which will damage or destroy the transistor or transistors evokes.
Bipolar-Leistungs-Schalttransistoren haben insbesondere Gleichstrom-Eingangsimpedanzen zwischen 1,0 und 10,0 Ohm und Gleichstrom-Verstärkungsfaktoren von 10 bis 50. Darlington-Schaltungen haben insbesondere eine hohe Sättigungsspannung an ihrem Hauptstrompfad, was zu einer relativ hohen statischen Verlustleistung führt. Gesteuerte Silizium-Gleichrichter werden allgemein in Leistungsschaltungen eingesetzt) sie haben jedoch den Nachteil, daß sie - wenn sie einmal über ein an ihrer Steuerelektrode liegendes Signal eingeschaltet sind - nicht ausgeschaltet werden können, indem ein anderes Signal in ihre Steuerelektrode eingespeist oder das ursprüngliche Signal von dieser entfernt wird. Gesteuerte Silizium-Gleichrichter werden ausgeschaltet, indem entweder die Größe des durch deren Hauptstrompfad fließenden Stromes im wesentlichen gegen Null verringert oder die Spannung an deren Anoden- und Kathoden-Elektroden auf einen Null-Wert herabgesetzt wird. Entsprechend ist in zahlreichenden Anwendungen, in denen die Spannung an der Anoden- und der Kathoden-Elektrode eines gesteuerten Siliziumgleichrichters sich nicht natürlich auf Null verringert, eine komplizierte Schaltungsanordnung erforderlich, um den gesteuerten Siliziumgleichrichter auszuschalten.Bipolar power switching transistors in particular have direct current input impedances between 1.0 and 10.0 ohms and DC gain factors of 10 to 50. Darlington circuits in particular have a high saturation voltage on their main current path, leading to leads to a relatively high static power loss. Controlled silicon rectifier are generally used in power circuits) however, they have the disadvantage that they - once switched on via a signal on their control electrode are - cannot be switched off by adding another signal to their control electrode is fed in or the original signal is removed from it. Controlled silicon rectifier are turned off by either the size of the flowing through their main current path Current is reduced essentially to zero or the voltage at its anode and cathode electrodes are reduced to a zero value. Is accordingly in numerous applications where the voltage on the anode and cathode electrodes of a silicon controlled rectifier does not naturally decrease to zero, Complicated circuitry required to control the silicon rectifier turn off.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltvorrichtung anzugeben, die relativ hohe Schaltgeschwindigkeiten und eine relativ niedere statische Verlustleistung aufweist, die außerdem unempfindlich gegen eine thermische Instabilität -ist, eine -gute Einschaltstrombelastbarkeit aufweist und mittels der Einspeisung eines Niederleistungs-Signales in ihre Steuerelektrode ein- oder#ausgeschaltet werden kann.It is therefore the object of the invention to specify a switching device, the relatively high switching speeds and a relatively low static power loss has, which is also insensitive to thermal instability, a - has good inrush current rating and by feeding in a low-power signal can be switched on or off in their control electrode.
Die Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 14 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gegeben.The solution to this problem is in a switching device according to the The preamble of claim 1 or 14 according to the invention by the characterizing part thereof Part included features given.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben bzw. zum Herstellen einer Halbleiter-Schaltvorrichtung ist im Patentanspruch 1 bzw. 25 angegeben.An advantageous method for operating or producing a Semiconductor switching device is specified in claims 1 and 25, respectively.
Vorteilhafte Weiterbildungen der-Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 10 und 12.Advantageous further developments of the invention result from the patent claims 2 to 10 and 12.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein Bipolar-Transistor durch einen VMOS-Transistor gesteuert werden kann, um ein sehr schnelles Schalten bei relativ hohen Leistungspegeln mit geringer Verlustleistung, Unempfindlichkeit gegenüber thermischer ~Instabilität bei Parallelschaltung derartiger Vorrichtungen und einem#wesentlich erhöhten Widerstand gegegenüber einer Beschädigung durch Strom-Einschaltstöße zu bewirken. Der Erfinder erkannte nämlich, daß durch-Verbìnden der Drain- und der Source-Elektrode eines VMOS-Transistors mit der Kollektor- bzw. Basis-Elektrode eines Bipolar-Leistungstransistors eine Leistungs-Schaltvorrichtung und eine Schaltung mit Betriebsvorteilen erhalten werden, die keine der Vorrichtungen allein bieten kann. Der Erfinder erkannte weiterhin, daß - da die Herstellungsprozesse für einen Bipolar-Transistor und einen VMOS-Transistor im wesentlichen gleich sind mit Ausnahme des Ätzens des V-Grabens und der nachfolgenden Gate-Oxidation des VMOS-Transistors - jede Vorrichtung auf einem gemeinsamen Substrat nebeneinander erzeugt werden kann, um einen neuen Baustein auf einem einzigen integrierten Schaltungschip herzustellen.The invention is based on the knowledge that a bipolar transistor Can be controlled by a VMOS transistor for very fast switching at relatively high power levels with low power dissipation, insensitivity against thermal instability when such devices are connected in parallel and a # substantially increased resistance to damage from current inrushes to effect. The inventor realized that by connecting the drain and the Source electrode of a VMOS transistor with the collector or base electrode a bipolar power transistor, a power switching device and a circuit with Operational advantages are obtained that none of the devices alone can offer. The inventor also recognized that - there the manufacturing processes for a bipolar transistor and a VMOS transistor are essentially the same with the exception of the etching of the V-trench and the subsequent gate oxidation of the VMOS transistor - each device can be produced next to each other on a common substrate, to make a new device on a single integrated circuit chip.
Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist insbesondere in Schaltungen relativ hoher Leistung vorteilhaft einsetzbar, um Spannungs- und Strom-Schaltfunktionen zu erzeugen. Derartige Schaltungen können in Umformer-Systemen, Wechselrichter-Systemen, Zerhackern usw. eingesetzt werden.The switching device according to the invention is particularly useful in circuits Relatively high power can be used advantageously for voltage and current switching functions to create. Such circuits can be used in converter systems, inverter systems, Chopping, etc. can be used.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Schalteinrichtung mit einem Bipolar-Transistor Fig. 2 einen Schnitt des Bipolar-Transistors der Fig. 1, Fig. 3 Kennlinien für die Schalteigenschaften der Bipolar-Transistorschaltung von Fig. 1, Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Schalteinrichtung mit einem VMOS-Transistor, Fig. 5 einen Schnitt des VMOS-Transistors von Fig.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. 1 shows a schematic circuit diagram of a conventional switching device with a bipolar transistor FIG. 2 shows a section of the bipolar transistor of FIG. 1, Fig. 3 Characteristic curves for the switching properties of the bipolar transistor circuit 1, FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of a conventional switching device with a VMOS transistor, 5 shows a section of the VMOS transistor of Fig.
4, Fig. 6 Kennlinien bezüglich der Schalteigenschaften der VM0S-Transistorschaltung von Fig. 4, FIG. 6 characteristic curves relating to the switching properties of the VM0S transistor circuit of Fig.
4, Fig. 7 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 8 einen Schnitt der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, Fig. 9 Kennlinien bezüglich der Schalteigenschaften der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, Fig. 10 ein schematisches Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung, und Fig. 11 und 12 schematische Schaltbilder jeweils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. 4, FIG. 7 a schematic circuit diagram of a first exemplary embodiment of the invention, FIG. 8 a section of the switching device according to the invention, FIG. 9 characteristic curves relating to the switching properties of the switching device according to the invention, 10 is a schematic circuit diagram of another embodiment of the invention, and FIGS. 11 and 12 are schematic circuit diagrams each of a further exemplary embodiment the invention.
In Fig. 1 ist ein Bipolar-Leistungs-Schalttransistor 1 gezeigt, dessen Kollektorelektrode mit einem Betriebsspannungsanschluß 3 verbunden ist, dessen Basiselektrode an einen Eingangsanschluß 5 zum Aufnehmen eines Steuersignales angeschlossen ist, und dessen Emitterelektrode mit einem Bezugsanschluß 7 zur Verbindung mit einem Bezugspotentialpunkt verbunden ist. Ein Lastwiderstand 9 liegt zwischen einem Leistungsanschluß 11 und dem Betriebsspannungsanschluß 3. Eine Betriebsspannung von +E Volt liegt am Leistungsanschluß 11. Wenn angenommen wird, daß der Bipolar-Transistor 1 ein doppelt- diffundierter Epitaxial-Planartransistor ist, so ist dessen Schnitt für das Dotierungsprofil insbesondere entsprechend Fig. 2 ausgeführt. Der Fertigungsprozeß zum Herstellen des NPN-Transistors 1 der Fig. 1 und 2 ist von üblicher Art. Wie dargestellt ist, weist der Bipolar-Transistor 1 einen Kollektorbereich 13 auf, der durch N+-Material (das Zeichen "+" bedeutet eine relativ hohe Dichte der betreffenden Majoritätsladungsträger) ausgeführt ist, das ein Teil des ursprünglichen Substrates ist. Oberhalb des Bereiches 13 ist eine Epitaxialschicht 15 aus N -.Material (das Zeichen ~-~ bedeutet eine relativ geringe Dichte der betreffenden .Majoritätsladungsträger) auf dem Substrat aufgewachsen, um den Kollektorbereich des Transistors zu bilden. Der Basisbereich 17 und ein Emitterbereich 19 werden gebildet, indem P - und N -Material in die Epitaxialschicht 15 diffundiert werden, wie dies dargestellt ist. Damit Drähte mit den verschiedenen Bereichen verbunden werden können, wird in einem Metallabscheidungsprozess ein Metall, wie z.B. Aluminium, in Metallisierungszonen 21 aufgetragen, wie dies dargestellt ist. Eine elektrisch isolierende Dünnfilm-Beschichtung 20, wie z.B.In Fig. 1, a bipolar power switching transistor 1 is shown, the Collector electrode is connected to an operating voltage terminal 3, the base electrode of which is connected to an input terminal 5 for receiving a control signal, and its emitter electrode having a reference terminal 7 for connection to a Reference potential point is connected. A load resistor 9 lies between a power connection 11 and the operating voltage connection 3. An operating voltage of + E volts is present at the power terminal 11. If it is assumed that the bipolar transistor 1 is on double- diffused epitaxial planar transistor, so is its Section for the doping profile carried out in particular according to FIG. Of the The manufacturing process for making the NPN transistor 1 of FIGS. 1 and 2 is conventional Art. As shown, the bipolar transistor 1 has a collector region 13 on, by N + material (the sign "+" means a relatively high density the relevant majority carrier) is executed, which is part of the original Substrates is. Above the area 13 is an epitaxial layer 15 made of N material (The symbol ~ - ~ means a relatively low density of the relevant majority charge carriers) grown on the substrate to form the collector region of the transistor. The base region 17 and an emitter region 19 are formed by using P and N materials can be diffused into the epitaxial layer 15 as shown. So that wires The various areas that can be connected to each other are made in a metal deposition process a metal such as aluminum is deposited in metallization zones 21 like this is shown. An electrically insulating thin film coating 20, e.g.
Siliziumdioxid (SiO2),-wird zwischen den Metallisierungszonen 21 abgeschieden oder aufgetragen.Silicon dioxide (SiO2) is deposited between the metallization zones 21 or applied.
In einem Bipolar-Transistor bestehen gemäß der Transistorphysik Zwischenelektroden-Kapazitäten insbesondere zwischen der Basis und dem Emitter, und es sind die Basis- und die Kollektorelektrode, die beim Einschalten bzw. Ausschalten des Transistors geladen -und entladen werden müssen. Z.B. sind die Kennlinien in Fig. 3 typisch für das Ansprechen der Bipolar-Transistor-Schalteinrichtung der Fig. 1 auf ein am Steueranschluß 5 liegendes Stromimpuls-Steuersignal 23. Z.B. ist in Fig. 3 das Eingangsimpuls-Signal 23 dargestellt, das einen ausreichend hohen positiven Strompegel besitzen soll, um den Bipolar-Tran#sistor 1 in die Sättigung anzusteuern. Wenn die Amplitude dieses impuissignales 23 zu hoch ist, fließt ein zu großer Basisstrom in den Transistor 1, der eine Beschädigung oder Zerstörung des Transistors verursacht, wenn angenommen wird, daß die Impulszeit von-ausreichender Dauer ist, um das Auftreten einer derartigen Beschädigung zu erlauben. Kurven 25, 27 und 29 stellen die Spannung an der Kollektor- und der Emitterelektrode (Vce)1 den Kollektorstrom (Ic) bzw. die durch den Transistor aufgenommene Leistung (P) dar. An der Vorderflanke des Impulses 23 beginnt der Transistor 1 einzuschalten,- und er schließt sein Einschalten in einer Zeitdauer Tein ab, wie dies dargestellt ist. Diese Einschaltzeit Tein umfaßt eine- anfängliche- Verzögerungszeit td bezüglich der Ladung#strägerbeweglichkeit und eine Anstiegszeit tr, die die Zeit darstellt, in der der Kollektorstrom I von 10 % seines Endwertes auf 90 % seines Endc wertes ansteigt. Die der Abfallflanke der Spannung Vce zugeordnete Anstiegszeit tr ist mit dem Laden der Zwischenelektroden-Kapazitäten verknüpft. Insbesondere beträgt die Einschaltzeit Tein für einen Leistungstransistor ca. 2 ps. Gerade nach dem Auftreten der RUck- oder Hinterflanke des Eingangsimpulses 23 schaltet der Transistor 1 in einer Zeitdauer Taus aus. Die Ausschaltzeit TaUs umfaßt eine Speicherzeit ts, die mit dem Zerfall (bzw. der Neutralisierung) der im Siliziummaterial des Basisbereiches gespeicherten Minoritätsladungsträger ver-#knüpft ist (Auslöschen der Ladungen), und eine Abfallzeit tft die durch die Zeit dargestellt ist, die der.According to transistor physics, there are interelectrode capacitances in a bipolar transistor especially between the base and the emitter, and there are the base and the Collector electrode that is charged when the transistor is switched on or off -and need to be unloaded. E.g. the characteristics in Fig. 3 are typical for the Response of the bipolar transistor switching device of FIG. 1 to a control terminal 5 horizontal current pulse control signal 23. E.g. in Fig. 3 this is Input pulse signal 23 is shown, which has a sufficiently high positive current level should have to drive the bipolar transistor 1 into saturation. If the The amplitude of this pulse signal 23 is too high, too high a base current flows into transistor 1, causing damage or destruction of the transistor, assuming that the pulse time is of sufficient duration to cause occurrence to allow such damage. Curves 25, 27 and 29 represent the tension at the collector and emitter electrodes (Vce) 1 the collector current (Ic) and the represents the power absorbed by the transistor (P). On the leading edge of the pulse 23 the transistor 1 begins to switch on - and it closes its switch on in a period of time Tein, as shown. This switch-on time includes Tein an - initial - delay time td in terms of charge # carrier mobility and a rise time tr, which represents the time in which the collector current I of 10% of its final value increases to 90% of its final value. That of the falling flank The rise time tr associated with the voltage Vce is with the charging of the inter-electrode capacitances connected. In particular, the switch-on time is Ton for a power transistor approx. 2 ps. Especially after the occurrence of the trailing or trailing edge of the input pulse 23 turns off the transistor 1 in a period of time Toff. The switch-off time TaUs includes a storage time ts that coincides with the decay (or neutralization) of the linked minority charge carriers stored in the silicon material of the base area is (extinction of charges), and a fall time tft which is represented by time is who the.
Kollektorstrom I einnimmt, um von 90 % seines Höchstc - wertes auf 10 % seines Höchstwertes abzufallen.Collector current I by 90% of its maximum worth to drop to 10% of its maximum value.
Die Abfallzeit tf beruht auf einer komplizierten physikalischen Beziehung einschließlich der Beweglichkeit, der Dotierungsprofile, der Fläche der Vorrichtung und der Lastimpedanz. Beim Ansteuern des Transistors 1 in Sättigung tritt dessen größte Verlustleistung während der Anstiegszeit und der Abfallzeit auf, wie dies durch die Kurven 27 und 29 gezeigt ist. Die Ausschaltzeit T ist geaus wöhnlich länger als die Einschaltzeit Tein ; jedoch hängen beide auch von der Ausgangs last und davon ab, wie der Transistor angesteuert (gepulst) ist. Wenn der Transistor 1 einschaltet, verringert sich dessen Kollektor-Emitter-Spannung Vc auf e einen bestimmten Mindestwert bei der Sättigung des Transistors, und sein Kollektorstrom 1 steigt c auf einen bestimmten Höchstwert an, der durch die Größe der Versorgungsspannung und den Wert des Kollektor-Lastwiderstandes eingestellt ist. Insbesondere ist - wie dies in der Leistungskennlinie 29 gezeigt ist.- während der Sättigungszeit tsät des Transistors 1 die während dieser aufgenommene Leistung Ps ungefähr gleich dem Produkt aus der Spannung Vce an der Kollektor- und der Emitterelektrode , die ca. 1 Volt beträgt, und dem Wert des durch die Last 9 fließenden Stromes I1: (1) P22 Vce 1L In jüngster Zeit wurde ein Vertikal-Metall-Oxid-Halbleiter (im folgenden als VMOS bezeichnet) - Feldeffekttransistor entwickelt. Eine VMOS-Vorrichtung hat eine sehr hohe statische Eingangsimpedanz und erfordert folglich eine extrem niedere Ansteuerleistung, was sie zu einem spannungsbetriebenen Bauelement mit hoher Leistungsverstärkung macht.The fall time tf is based on a complicated physical relationship including mobility, doping profiles, area of the device and the load impedance. When driving the transistor 1 in saturation occurs greatest power dissipation during the rise time and the fall time like this is shown by curves 27 and 29. The switch-off time T is usually longer as the switch-on time Tein; however, both also depend on the output load and depends on how the transistor is driven (pulsed). When transistor 1 turns on, its collector-emitter voltage Vc decreases to a certain minimum value at the saturation of the transistor, and its collector current 1 increases to c certain maximum value determined by the size of the supply voltage and the value of the collector load resistance is set. In particular - like this in the Power characteristic curve 29 is shown - during the saturation time tsät of the transistor 1 the power Ps absorbed during this approximately equal to the product of the Voltage Vce at the collector and emitter electrodes, which is approx. 1 volt, and the value of the current I1 flowing through the load 9: (1) P22 Vce 1L In recent Time became a vertical metal-oxide semiconductor (hereinafter referred to as VMOS) - Developed field effect transistor. A VMOS device has a very high static Input impedance and consequently requires an extremely low drive power, what them to a voltage driven High power gain component power.
VMOS-Vorrichtungen bieten sehr schnelle oder kurze Schaltzeiten, erlauben eine direkte Parallelschaltung von Vorrichtungen ohne komplizierte Vorspann-Netzwerke zum Schalten hoher Strompegel und haben einen negativen Strom-Temperaturkoeffizienten (einen positiven Widerstands-Temperaturkoeffiz ienten), um dadurch eine innere Gegenkopplung für die Vorrichtung zu erzeugen, die im wesentlichen das zerstörende, thermische Instabilitätsproblem von Bipolar-Transistoren ausschließt, wenn eine parallel schaltung miteinander vorliegt. Gegenwärtig sind VMOS-Vorrichtungen verfügbar zum Verarbeiten von Spannungen bis hinaus zu 400 V bei einem Strom von ca. 8 A. Jedoch haben die gegenwärtigen Hochleistungs-VMOS-Vorrichtungen im leitenden Zustand einen relativ# hohen Durchlaßwiderstand von ca.VMOS devices offer very fast or short switching times, allow a direct parallel connection of devices without complicated bias networks for switching high current levels and have a negative current temperature coefficient (a positive resistance-temperature coefficient), thereby creating an internal negative feedback for the device to produce, which is essentially the destructive, thermal Bipolar transistors are unstable if they are connected in parallel present with each other. VMOS devices are currently available for processing from voltages up to 400 V with a current of approx. 8 A. However, they have current high performance VMOS devices have a relatively # high forward resistance of approx.
1 Ohm zwischen ihrer Source- und Drain-Elektrode.1 ohm between their source and drain electrodes.
Dieser Widerstand verursacht eine relativ hohe Verlustleistung bei hohen Leistungspegeln. Wenn z.B. angenommen wird, daß VMOS-Vorrichtungen mit 100 A in naher Zeit verfügbar werden, so wird bei geringer Verbesserung im Reihen-Durchlaßwiderstand der Vorrichtung ca. 10.000 W bei einem Strom dieser Größenordnung verbraucht. Vergleichsweise haben Bipolar-Leistungstransistoren einen unter 20 mOhm liegenden Widerstandswert zwischen ihrer Kollektor-und Emitterelektrode, wenn sie im gesättigten Zustand leiten; sie haben jedoch den Nachteil eines relativ kleinen Wertes des Eingangswiderstandes, einer relativ niederen Schaltgeschwindigkeit im Vergleich mit einem VMOS-Transistor, und sie weisen andere Probleme auf, wie dies oben erläutert wurde.This resistance causes a relatively high power loss high power levels. For example, assuming that VMOS devices with 100 A become available in the near future, there will be little improvement in the series on-resistance the device consumes approx. 10,000 W at a current of this magnitude. Comparatively bipolar power transistors have a resistance value below 20 mOhm between their collector and emitter electrodes when they are conducting in the saturated state; However, they have the disadvantage of a relatively small value of the input resistance, a relatively low switching speed compared to a VMOS transistor, and they have other problems as discussed above.
Das Symbol für eine VMOS-Vorrichtung 31 in den Fig. 4, 7 und 10 - 12 wurde gewählt, da sich bisher für VMOS-Vorrichtungen noch kein allgemein anerkanntes Symbol durchgesetzt hat. In Fig. 4 ist die VMOS-Vorrichtung 31 schematisch für den Bipolar-Transistor der Fig. 1 gezeigt. Der VMOS-Transistor 31 ist mit seiner Drain-Elektrode D an den Betriebsspannungsanschluß 3, mit seiner Source-Elektrode S an den Bezugsspannungsanschluß 7 und mit seiner Gate-Elektrode G an den Eingangs- oder Steueranschluß 5 angeschlossen. Eine VMOS-Vorrichtung hat eine statische Gleichstrom-Eingangsimpedanz an ihrem Gate, die etwa 106-mal größer als bei einem Bipolar-Transistor ist, eine (abhängig von den verwendeten Schaltungs-Bauelementen) insbesondere 1000-mal größere Leistungsverstärkung mit keiner Beeinflußbarkeit durch thermische Instabilität oder Sekundärdurchbruch und Einschalt- sowie Ausschalt-Zeiten Tein bzw. T (abein aus hängig von anderen Schaltungs-Bauelementen) von ca. 50 ns. Ein VMOS-Transistor ist eine im wesentlichen spannungsgeführte Vorrichtung, während ein Bipolar-Transistor eine stromgeführte Vorrichtung ist. Insbesondere sind weniger als 100 nA eines statischen Ansteuerstromes zum Ansteuern einer VMOS-Vorrichtung erforderlich, da die Gleichstrom-Leistungsverstärkung eines derartigen Schalters so hoch ist.The symbol for a VMOS device 31 in Figs. 4, 7 and 10 - 12 was chosen because it was previously used for VMOS devices nothing yet generally recognized symbol has prevailed. In Fig. 4 is the VMOS device 31 is shown schematically for the bipolar transistor of FIG. The VMOS transistor 31 is with its drain electrode D to the operating voltage terminal 3, with its Source electrode S to the reference voltage terminal 7 and to its gate electrode G connected to the input or control connection 5. Has a VMOS device a static DC input impedance at its gate that is about 106 times greater than with a bipolar transistor, one (depending on the circuit components used) in particular 1000 times greater power amplification with no influenceability through thermal instability or secondary breakdown and switch-on and switch-off times Tein or T (depending on other circuit components) of approx. 50 ns. A VMOS transistor is an essentially voltage-carried device while a bipolar transistor is a current-carrying device. In particular, there are fewer than 100 nA of a static drive current for driving a VMOS device required because the DC power gain of such a switch is so high.
Demgemäß können VMOS-Vorrichtungen in relativ hohen Leistungsbereichen betrieben werden, jedoch direkt angesteuert von niederen Ansteuer-Leistungsvorrichtungen, wie z.B. von einer CMOS-Logik (CMOS = Komplementär-MOS) oder von optischen Isolatoren. Eine VMOS-Vorrichtung hat keine Minoritätsladungsträger-Speicherzeit, da sie eine Majoritätsladungsträger-Vorrichtung ist, wobei die Ladungsträger eher durch -elektrische Felder als durch physikalisches Injizieren und Absaugen von Minoritätsladungsträger in einen aktiven Bereich gesteuert sind. Jedoch verursachen parasitäre Bauelemente, wie z.B. Serien-Gate-Induktivitäten und eine Parallelkapazität sehr kleine Schalt-Verzögerungszeiten, insbesondere von einigen ns. Wie oben erwähnt wurde, haben Bipolar-Transistoren einen positiven Strom-Temperaturkoeffizienten und einen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten in ihrem Hauptstromweg, der zu einer Mitkopplung oder thermischer Instabilität führen kann, wenn derartige Transistoren parallel geschaltet sind. D.h. wenn sich der VMOS-Chip erwärmt, neigt er dazu, weniger Strom zu ziehen oder aufzunehmen. Demgemäß können VMOS-Vorrichtungen direkt parallel geschaltet werden, ohne spezielle Vorspann-Schaltungen zu benötigen, um zu bewirken, daß sie am gesamten Laststrom gleich teilhaben. Dieser Parallelbetrieb erlaubt ein Schalten eines Stromes mi-t Größen gleichwertig den zusammengesetzten Nennwerten der VMOS-Einheiten, die parallel verbunden sind.Accordingly, VMOS devices can operate in relatively high power ranges operated, but directly controlled by lower control power devices, e.g. from a CMOS logic (CMOS = complementary MOS) or from optical isolators. A VMOS device does not have a minority carrier storage time because it has a Majority charge carrier device is where the charge carriers tend to be -electric Fields than by physical injection and suction of minority charge carriers are controlled in an active area. However cause parasitic Components such as series gate inductors and a parallel capacitance very much short switching delay times, especially of a few ns. As mentioned above bipolar transistors have a positive current temperature coefficient and a negative temperature coefficient of resistance in their main current path, which can lead to positive feedback or thermal instability, if such Transistors are connected in parallel. I.e. when the VMOS chip heats up, it tends to draw or consume less electricity. Accordingly, VMOS devices can can be connected directly in parallel without the need for special bias circuits, in order to have them share in the total load current equally. This parallel operation allows a current to be switched with magnitudes equivalent to the composite ones Nominal values of the VMOS units connected in parallel.
Um die Spannungs-Durchbruch-Belastbarkeit von VMOS-Schalteinrichtungen zu steigern, können mehrere VMOS-Vorrichtungen mit ihren Source-Drain-Strecken in Reihe verb#unden werden, und deren Gate-Elektroden sind einzeln vorgespannt. Dies bewirkt eine Spannungs-Durchbruch-Kennlinie, die ungefähr gleich der Summe der Spannungs-Durchbruch-Kennlinien der einzelnen VMOS-Vorrichtungen ist.About the voltage breakdown resilience of VMOS switching devices to boost multiple VMOS devices with their source-drain paths in Row are connected, and their gate electrodes are individually biased. this causes a voltage-breakdown characteristic which is approximately equal to the sum of the voltage-breakdown characteristics of the individual VMOS devices.
In Fig. 5 ist ein Schnitt einer typischen VMOS-Struktur gezeigt. Im Vergleich mit dem Schnitt des NPN-Bipolar-Transistors der Fig. 2 sind die Grundquerschnitte im wesentlichen gleich mit Ausnahme der Zone, in der ein V-Graben 33 geätzt ist. Der Fertigungsprozess für einen VMOS-Transistor ist im wesentlichen gleich zum Fertigungsprozess für einen Bipolar-Transistor, mit der Ausnahme, daß ein VMOS-Vorrichtung-Verarbeiten die Sonderschritte eines Ätzens des V-Grabens 33 und einer folgenden Gate-Oxidation 35 benötigt. Diffusionsbereiche 17' und 19' eines P-- bzw. N+-Materials befinden sich jeweils auf der Seite des V-Grabens 3#, wie dies dargestellt ist. Auch können die Dotierungsprofile für die verschiedenen Zonen des VMOS-Transistors von den entsprechenden Zonen des Bipolar-Transistors abweichen. Die Metallisierung 21 (Elektroden) ist in der dargestellten Weise abgeschieden, um eine elektrische Verbindung für den Gate- und den Source-Bereich herzustellen. Andere Bereiche sind mit der Oxidschicht 20 bedeckt, wie dies dargestellt ist.A section of a typical VMOS structure is shown in FIG. in the The basic cross-sections are compared with the section of the NPN bipolar transistor in FIG. 2 essentially the same except for the region in which a V-groove 33 is etched. The manufacturing process for a VMOS transistor is essentially the same as the manufacturing process for a bipolar transistor, except that a VMOS device processing the special steps of etching the V-trench 33 and a subsequent gate oxidation 35 needed. Diffusion regions 17 'and 19' of a P- and N + material are located each on the side of the V-groove 3 #, as shown. Also can the doping profiles for the different zones of the VMOS transistor from the corresponding ones Zones of the bipolar transistor differ. The metallization 21 (electrodes) is deposited in the manner shown to provide an electrical connection for the Establish gate and source areas. Other areas are with the oxide layer 20 covered as shown.
Wenn ein Impuls- oder Steuersignal 37 (vgl. Fi . 6) am Steueranschluß 5 oder der Gate-Elektrode des VMOS-Transistors 31 liegt, schaltet der Transistor insbesondere in ca. 0,05 #s nach dem Einsatz der Vorderflanke des Impulses 37 ein und in ca. der gleichen Zeit nach dem Einsatz der Hinterflanke des-Impulses 37 aus. Wenn der #~MOS-Transistor 31 einschaltet, verringert sich dessen Drain-Source-Spannung VDS auf einen bestimmten, sehr niederen Pegel einer Spannung Vx, wie dies durch ein Signal 39 gezeigt ist, und der durch die Drain-Source-Strecke fließende Strom IDS erhöht sich in seiner Größe von einem sehr niederen Pegel 1 (kleiner als 1 pA eines x Leckstromes) auf einen bestimmten wesentlich höheren Pegel, wie dies durch eine Kurve 41 angedeutet ist. Die Größe des Source-Drain-Stromes kann gesteuert werden, indem der obere Pegel der Spannung des Gate-Impulses 37 innerhalb eines Bereiches vom Ausschalten bis vollständigem Einschalten eingestellt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß der Leitungs- pegel des Bipolar-Transistors 1 auch durch Einstellen der Größe des Basisstromes steuerbar ist. Wenn mit der größten Gate-Spannung in Sättigung eingeschaltet wird, haben die gegenwärtig verfügbaren Hochleistungs-VMOS-Schalter einen Durchlaßwiderstand zwischen der Drain- und der Source-Elektrode.If a pulse or control signal 37 (see. Fi. 6) at the control terminal 5 or the gate electrode of the VMOS transistor 31, the transistor switches in particular about 0.05 #s after the beginning of the leading edge of the pulse 37 and in about the same time after the onset of the trailing edge of the pulse 37 off. When the # ~ MOS transistor 31 turns on, its drain-source voltage decreases VDS to a certain, very low level of voltage Vx, like this through a signal 39 is shown and the current flowing through the drain-source path IDS increases in size from a very low level 1 (less than 1 pA of an x leakage current) to a certain, much higher level, like this through a curve 41 is indicated. The size of the source-drain current can be controlled are by taking the upper level of the voltage of the gate pulse 37 within a The range from switching off to complete switching on is set. Be it pointed out that the line level of the bipolar transistor 1 can also be controlled by adjusting the size of the base current. If with the greatest Gate voltage is turned into saturation, have the currently available High performance VMOS switch creates an on resistance between the drain and the Source electrode.
von ca. 0,2 bis 1,0 Ohm. Folglich ist- wie dies in einer Leistungskurve 43 dargestellt ist - die durch einen VMOS-Transistor aufgenommene oder verbrauchte Leistung während des Ein- oder Durchlaßzu-2 standes gleich dem Quadrat des Laststromes 1L multipliziert mit dem Sättigungswiderstand rs: Bei einem Laststrom von 40 A verbraucht entsprechend der VMOS-Transistor 31 zwischen 320 und 1600 W, abhängig vom Wert des Sättigungswiderstandes rs, wenn der VMOS-Transistor eingeschaltet ist. Hierin liegt der Hauptnachteil des gegenwärtigen Standes der Technologie für VMOS-Leistungsvorrichtungen; deren Durchlaßwiderstand ist nämlich im Vergleich mit einem Bipolar-Transistor hoch. Entsprechend sind VMOS-Vorrichtungen bei deren gegenwärtigem Entwicklungsstand nicht so vorteilhaft wie Bipolar-Transistoren für Hochleistungs-Schalt-Anwendungen.from approx. 0.2 to 1.0 ohms. As a result, as shown in a power curve 43, the power consumed or consumed by a VMOS transistor during the on or on state is equal to the square of the load current 1L multiplied by the saturation resistance rs: With a load current of 40 A, the VMOS transistor 31 accordingly consumes between 320 and 1600 W, depending on the value of the saturation resistance rs, when the VMOS transistor is switched on. Herein lies the major disadvantage of the current state of technology for VMOS power devices; namely, their forward resistance is high in comparison with a bipolar transistor. Accordingly, at their current level of development, VMOS devices are not as advantageous as bipolar transistors for high power switching applications.
Der Erfinder hat nun erkannt, daß die Schaltung der Fig. 7 eine sehr schnelle Festkörper-Schaltvorrichtung für relativ hohe Leistung bewirkt, die die wesentlichen Nachteile der gesteuerten Silicium-Gleichrichter, der bipolaren Transistoren, der Darlington-Schaltungen und der VMOS-Vorrichtungen überwindet. Wie gezeigt ist, ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein NPN-Bipolar- Leistungs-Schalttransistor 45 vorgesehen, der mit seiner Kollektorelektrode an den Betriebs spannungsanschluß 3' und mit seiner Emitterelektrode an den Bezugsanschluß 7' angeschlossen ist. Eine VMOS-Vorrichtung 47 liegt mit ihrer Drain- und ihrer Source-Elektrode an der Kollektorelektrode 3' bzw.The inventor has now recognized that the circuit of FIG. 7 is a very fast solid-state switching device for relatively high performance that causes the major disadvantages of the controlled silicon rectifier, the bipolar transistors, the Darlington Circuits and VMOS devices. As shown is in this first embodiment of the invention an NPN bipolar Power switching transistor 45 provided, the voltage connection with its collector electrode to the operating 3 'and is connected with its emitter electrode to the reference terminal 7'. One VMOS device 47 has its drain and source electrodes on the collector electrode 3 'or
der Basiselektrode 6' des Transistors 45, und ihre Gate-Elektrode ist mit dem Eingangs- oder Steueranschluß 5' verbunden. Ein Widerstand 49 mit einem niederen Widerstandswert liegt zwischen der Basis- und der Emitterelektrode des Bipolar-Transistors 45, um zu gewährleisten, daß der Transistor 45 ausgeschaltet gehalten wird, wenn eine Null-Vorspannung an der Gate-Elektrode 5' liegt, und um einen Entladungsweg für in der Basis während der Leitungsperiode des Transistors 45 gespeicherte Ladung zu erzeugen. Ein vorzugsweiser Wert für diesen Widerstand beträgt 1 Ohm. Der Widerstand 49 kann innerhalb oder außerhalb von dieser neuartigen Kombination oder Zusammenfassung der Bauelemente 45, 47 enthalten sein, die geeignet als CSD (Combination Semiconductor Device = Kombination-Halbleiter-Vorrichtung) durch den Erfinder bezeichnet wird. Die vorliegende Schaltvorrichtung 45, 47 hat die Hochleistungs-Schaltvorteile eines gesteuerten Silicium-Gleichrichters und den zusätzlichen Vorteil eines Ausschaltens durch Anlegen eines geeigneten Signales an das Gate des VMOS-Transistors 47.the base electrode 6 'of the transistor 45, and its gate electrode is connected to the input or control connection 5 '. A resistor 49 with a The lower resistance value lies between the base and emitter electrodes of the Bipolar transistor 45 to ensure that transistor 45 is turned off is held when a zero bias is applied to the gate electrode 5 ', and around a discharge path for in the base during the conduction period of the transistor 45 generate stored charge. A preferred value for this resistance is 1 ohm. The resistor 49 can be inside or outside of this novel Combination or summary of the components 45, 47 may be included that are suitable as CSD (Combination Semiconductor Device) is designated by the inventor. The present switching device 45, 47 has the high performance switching advantages of a silicon controlled rectifier and the additional advantage of switching off by applying a suitable signal to the gate of VMOS transistor 47.
Ein Schnitt dieser Schaltvorrichtung 45, 47 ist in Fig. 8 dargestellt. Da - wie gezeigt ist und oben erläutert wurde - VMOS-Vorrichtungen und Bipolar-Transistoren mittels im wesentlichen der gleichen Prozesse gefertigt werden, können der Bipolar- Transistor 45 und die VMOS-Vorrichtung 47 auf dem gleichen Substrat hergestellt werden. Wie dargestellt Ist,- s-ind diese Vorrichtungen 45, 47 nebeneinander angeordnet, wobei ein Isolationsgraben 51 dazwischen.in wenigstens einen wesentlichen Teil der Epitaxialschicht 15 geätzt ist. Siliziumdioxidschichten 20 sind über diesem Isolations-.gr-aben 51 und anderen Zonen der Vorrichtung 45, -47 abgeschieden, wie dies dargestellt ist. Die Oxidschicht des Isolationsgrabens 51 wird dann mit der Metallisierung 21 zum elektrischen Verbinden des Basisbereiches 17 des NPN-Leistungstransistors 45 mit dem Souce-Bereich 17', 19' des VMOS-Transistors 47 überlagert. Andere Metallisierungszonen 21 (Elektroden) sind in der dargestellten Weise überlagert, um den Drain- und den Kollektor-Bereich elektrisch mit dem Betriebsspannungsänschluß 3', den Emitterbereich mit dem Anschluß 7'-- und Gate mit dem Anschluß 5' zu verbinden. Strichlinien 53, 55 und 57 entsprechen -einem tieferen ätzen des Isolationsgrabens 51, um sogar eine größere- elektrische Isolation zwischen dem VMOS-Transistor 47 und dem Bipolar-Transistor 45 zu erhalten, wenn dies für bestimmte Anwendungen erforderlich ist. Es. sei darauf hingewiesen, daß mehrere derartige Vorrichtungen 45, 47 auf dem gleichen -Substrat abgeschieden werden können.A section of this switching device 45, 47 is shown in FIG. Since, as shown and discussed above, VMOS devices and bipolar transistors are manufactured using essentially the same processes, the bipolar transistor 45 and the VMOS device 47 can be fabricated on the same substrate. As Is shown, - s-ind these devices 45, 47 arranged side by side, wherein an isolation trench 51 therebetween in at least a substantial portion of the epitaxial layer 15 is etched. Silicon dioxide layers 20 are above this insulation trench 51 and other zones of the device 45, -47 as shown. The oxide layer of the isolation trench 51 is then used with the metallization 21 electrically connecting the base region 17 of the NPN power transistor 45 with the souce area 17 ', 19' of the VMOS transistor 47 is superimposed. Other metallization zones 21 (electrodes) are superimposed as shown to form the drain and the Collector area electrically with the operating voltage connection 3 ', the emitter area to connect to terminal 7 '- and gate to terminal 5'. Dashed lines 53, 55 and 57 correspond to a deeper etching of the isolation trench 51 to even one greater electrical isolation between the VMOS transistor 47 and the bipolar transistor 45 if required for certain applications. It. be on it pointed out that several such devices 45, 47 on the same substrate can be deposited.
Wenn -angenommen wird-, daß die mehreren derartigen Vorrichtungen 45, 47 in ihren elektrischen Eigenschaften gleich sind und in einer Anzahl N vorliegen, wobei N eine beliebige ganze Zahl größer als 1 ist, dann ist - wenn die Vorrichtungen direkt parallel verbunden-sind - die--Strombelastbarkeit der parallel verbundenen Vorrichtungen ca. gleich der N-fachen Strombelastbarkeit einer einzelnen dieser Vorrichtungen.Assuming that the plurality of such devices 45, 47 are the same in their electrical properties and exist in a number N, where N is any integer greater than 1, then - if the devices are directly connected in parallel - the - current carrying capacity of the parallel connected Devices approximately equal to N times the current carrying capacity of a single one of them Devices.
Wenn alternativ eine Vielzahl N dieser Vorrichtungen 45, 47 in Reihe bezüglich deren Hauptstromwege (Kollektor-Emitterelektrode-Stromweg des Bipolar-Transistors 45) verbunden werden und die Gate-Elektroden jedes der VMOS-Transistoren 47 jeweils durch einen ausreichenden Spannungspegel zum Einschalten des zugeordneten V;MOS-Transistors 47 angesteuert sind, beträgt die Spannungsdurchbruch -Belastbarkeit dieser reigengeschalteten Vorrichtungen 45, 47 ca. das N-fache der Spannungsdurchbruch- Belastbarkeit einer einzelnen dieser Vorrichtungen 45,47. D.h., in der Reihenschaltung liegt eine einzelne schwimmende Vorspannung an den Gate-Elektroden der VMOS-Transistoren 47, wobei jede Vorspannung auf eine Spannung an der Emitterelektrode des zugeordneten Bipolar-Transistors 45 bezogen ist. Wenn im Betrieb der Vorrichtung 45, 47 ein Impuls-Steuersignal 57 (vgl. Fig.Alternatively, if a plurality N of these devices 45, 47 in series with regard to their main current paths (collector-emitter electrode current path of the bipolar transistor 45) and the gate electrodes of each of the VMOS transistors 47, respectively by a sufficient voltage level to switch on the associated V; MOS transistor 47 are activated, the voltage breakdown capacity of this series-connected Devices 45, 47 approximately N times the voltage breakdown load capacity of a each of these devices 45,47. This means that there is a single one in the series connection floating bias on the gate electrodes of the VMOS transistors 47, each Bias to a voltage on the emitter electrode of the associated bipolar transistor 45 is related. If during the operation of the device 45, 47 a pulse control signal 57 (see Fig.
9) am Steueranschluß 5 oder der Gate-Elektrode des VMOS-Transistors 47 liegt, wobei angenommen ist, daß der Pegel der Spannung des Impulses 59 ausreichend hoch ist, um vollständig die VMOS-Vorrichtung 47 in Sättigung einzuschalten, so schaltet der VMOS-Transistor 47 ein , um einen Stromleitungsweg (dessen Drain-Source-Elektroden-Stromweg) von etwa 1 Ohm zwischen der Kollektor- und der Basiselektrode des Bipolar-Transistors 45 zu erzeugen. Da der VMOS-Transistor 47 viel schneller als der Bipolar-Transistor 45 einschaltet, ist zu dieser Zeit nahezu der gesamte Laststrom IL in die Basiselektrode des Bipolar-Transistors 45 angesteuert, wodurch der Bipolar-Transistor 45 übersteuert wird, was stark dessen Ubergang in den Zustand hoher Leitung beschleunigt. Dieser Übersteuerungszustand tritt lediglich für eine kurze Zeitdauer auf, für die - wie dies in Fig. 9 gezeigt ist - die Spannung an der Kollektor- und der Emitter-Elektrode des Transistors 45 rasch bei dessen Einschalten abfällt (vgl. das Signal 61), wodurch der über den VMOS-Transistor 47 eingespeiste Basisstrom schnell verringert wird, was den Übersteuerungszustand entfernt. Die VMOS-Vorrichtung 47 liefert eine Gegenkopplung zwischen der Kollektor- und Basiselektrode des Bipolar-Transistors 45 und stellt entsprechend den Pe#gel der Spannung zwischen der Kollektor- und Basiselektrode des Bipolar-Transistors ein, um letzteren in einem Leitungszustand zu halten. Infolge der Rückkopplung leitet der Bipolar-Transistor nahe der Sättigungskante, er geht jedoch tatsächlich nicht in Sättigung über (üblicherweise wird ein Bipolar-Transistor gesättigt, wenn der Kollektor-Basis- und der Emitter-Basis-PN-Ubergang beide in Durchlaßrichtung vorgespannt sind#. Nach dem Auftreten dieser Bedingung steigert eine Zunahme in dessen Basis-Ansteuerstrom nicht wesentlich den Kollektorstrom des Bipolar-Transistors).9) at the control terminal 5 or the gate electrode of the VMOS transistor 47, assuming that the level of the voltage of the pulse 59 is sufficient is high to fully saturate the VMOS device 47, so turns on the VMOS transistor 47 to establish a current conduction path (its drain-source electrode current path) of about 1 ohm between the collector and base electrodes of the bipolar transistor 45 to generate. Because the VMOS transistor 47 is much faster than the bipolar transistor 45 turns on, at that time almost all of the load current IL is into the base electrode of the bipolar transistor 45 controlled, whereby the bipolar transistor 45 is overdriven which greatly accelerates its transition to the state of high conduction. This Overdrive condition only occurs for a short period of time for which - how this is shown in Fig. 9 - the voltage on the collector and the Emitter electrode of the transistor 45 drops rapidly when it is switched on (see. The signal 61), whereby the base current fed in via the VMOS transistor 47 is rapidly reduced, which removes the overdrive condition. The VMOS device 47 provides negative feedback between the collector and base electrodes of the bipolar transistor 45 and represents corresponding to the level of the voltage between the collector and base electrodes of the bipolar transistor in order to keep the latter in a conduction state. As a result the feedback conducts the bipolar transistor close to the saturation edge, it goes however actually not over into saturation (usually a bipolar transistor saturated when the collector-base and emitter-base PN junctions are both in Forward biased are #. After the occurrence of this condition it increases an increase in its base drive current does not significantly affect the collector current of the Bipolar transistor).
Auf diese Weise wird infolge der sehr kurzen Zeitdauer der durch die Rückkopplung hervorgerufenen Ubersteuerung der Bipolar-Transistor 45 in ca.In this way, as a result of the very short period of time, the Feedback caused overdrive of the bipolar transistor 45 in approx.
0,5 ps eingeschaltet. Daher hat die erfindungsgemäße Vorrichtung einschließlich des Bipolar-Transistors 45 und der VMOS-Vorrichtung 47 eine Einschaltzeit, die wenigstens 4-mal kürzer als die Zeit ist, die mit üblichen Bipolar-Schaltvorrichtungen zu erzielen ist, die in einer Schaltung entsprechend Fig. 1 betrieben sind. Es sei darauf hingewiesen, daß mit dem Einschalten des Transistors 45 dessen Kollektorstrom 1 (vgl. das Signal 63) -c rasch von einem relativ niederen Wert (Leck- oder Streustrom) bis zu einem im wesentlichen hohen Wert bei einem Gleichgewichtsbetrieb der Vorrichtung 45, 47 ansteigt. Der Spannungspegel des Steuerimpulses 59 kann auf verschiedene Werte zum Steuern des Leitungspegels des Bipolar-Transistors 45 in einem Bereich zwischen Abschalten und Sättigungskante für bestimmte Anwendungen eingestellt werden. In typischen Schalt-Anwendungen ist der Pegel des Impulses 59 hoch genug gemacht, damit der Bipolar-Transistor 45 bei der Sättigungskante arbeitet. Wenn irgendeine kurzzeitige oder Einschalt-Forderung auftritt, die den Laststrom IL plötzlich ansteigen läßt, wodurch der Bipolar-Transistor 45 weiter aus der Sättigung gezogen wird, was die Spannung an dessen Kollektor-Emitter-Elektroden plötzlich ansteigen läßt, so spricht der Transistor 47 infolge der Gegenkopplung an, indem mehr Basisstrom in die Basiselektrode des Transistors 45 angesteuert wird, so daß der Bipolar-Transistor 45 schwerer leitet und folglich zurück zur Sättigungskante geht. Die erhöhte Leitung läßt die Spannung an den Kollektor-Emitter-Elektroden abnehmen. Auf diese Weise verbessert die durch die VMOS-Vorrichtung 47 erzeugte Gegenkopplungswirkung die kurzzeitige oder Einschalt-Leistungsfähigkeit des Bipolar-Transistors 45 um wenigstens einen Faktor 4 seiner normal bemessenen Einschalt-Strombelastbarkeit. Demgemäß kann die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 45, 47 zum Ansteuern induktiver Lasten , wie z.B.0.5 ps switched on. Therefore, the device according to the invention is inclusive of the bipolar transistor 45 and the VMOS device 47 have a turn-on time that is at least 4 times shorter than the time it takes to achieve that with conventional bipolar switching devices which are operated in a circuit according to FIG. It should be noted that when the transistor 45 is switched on, its collector current 1 (cf. the signal 63) -c rapidly from a relatively low value (leakage or leakage current) to one substantially high value with the device 45, 47 operating in equilibrium increases. The voltage level of the Control pulse 59 can be different Values for controlling the conduction level of the bipolar transistor 45 in a range can be set between switch-off and saturation level for certain applications. In typical switching applications, the level of pulse 59 is made high enough so that the bipolar transistor 45 operates at the saturation edge. If any Short-term or switch-on demand occurs, which suddenly increases the load current IL leaves, whereby the bipolar transistor 45 is further pulled out of saturation, what suddenly increases the voltage at its collector-emitter electrodes, so the transistor 47 responds as a result of the negative feedback, in that more base current in the base electrode of transistor 45 is driven so that the bipolar transistor 45 leads more difficult and consequently goes back to the saturation edge. The increased line lets the voltage at the collector-emitter electrodes decrease. In this way the negative feedback effect generated by the VMOS device 47 improves the momentary or turn-on capability of the bipolar transistor 45 by at least a factor of 4 of its normally rated inrush current carrying capacity. Accordingly, can the switching device 45, 47 according to the invention for controlling inductive loads, such as.
der Wicklungen eines Elektromotores , verwendet werden. Infolge des positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten zwischen seiner Drain- und Source-Elektrode verhindert weiterhin der VMOS-Transistor 47 automatisch, daß der Bipolar-Transistor 45 jemals thermisch instabil wird, wenn derartige Vorrichtungen 45, 47 zusammen parallel verbunden sind.the windings of an electric motor. As a result of the positive temperature coefficient of resistance between its drain and source electrodes Furthermore, the VMOS transistor 47 automatically prevents the bipolar transistor 45 ever becomes thermally unstable when such devices 45, 47 together are connected in parallel.
Es sei lediglich angenommen, daß der Laststrom ca.It is only assumed that the load current is approx.
44 A beträgt, und daß der Gleichstrom-Verstärkungs- faktor B des Bipolar-Transistors 45 etwa den Wert 10 hat; dann fließt bei Gleichgewicht der Vorrichtung 45, 47 ein Strom von ca. 4 A durch den VMOS-Transistor:47 (dessen "Durchlaß"-Widerstand r 5 beträgt etwa 1 Ohm) in die Basiselektrode des Bipolar-Transistors 45, wodurch letzterer einen Strom 1 von etwa 40 A durch seine Kollektor-Emitterc Stromstrecke leitet, wobei dort eine Spannung V ce von etwa 5 V sowie eine Spannung Vbe zwischen dessen Basis- und Emitterelektrode von etwa 1,0 V anliegen und ein Laststrom IL von 44 A vorhanden ist. Unter den genannten Gleichgewichtsbedingungen und der Annahme, daß der Bipolar-Transistor 45 bei der Sättigungskante arbeitet, beträgt die durch die Vorrichtung (vgl. Fig. 9) aufgenommene Leistung P c etwa 218 W, was-aus der folgenden Gleichung abgeleitet werden kann: Dies vergleicht zum Schalten des gleichen Pegels eines Laststromes (44 A) auf einen Leistungspegel eines Verbrauches von 1.936 W (vgl. Fig. 6) in der Schaltung der Fig. 4 mit lediglich einer VMOS-Vorrichtung 31 und mit 44 W (vgl. Fig. 3) in der Schaltung der Fig. 1 mit lediglich einem Bipolar-Transistor 1. Da jedoch der Bipolar-Transistor 45 lediglich bis zur Sättigungskante arbeiten kann, ist die Ladungsspeicherzeit t der zusammenge-5 faßten Halbleitervorrichtung 45, 47 der Fig. 9 im wesentlichen gleich Null, während -wenn der Bipolar-Transistor 1 in Sättigung angesteuert ist -diese eine- Speicherzeit von einigen es aufweist.44 A, and that the direct current gain factor B of the bipolar transistor 45 has approximately the value 10; then, when the device 45, 47 is in equilibrium, a current of approximately 4 A flows through the VMOS transistor: 47 (its "on" resistance r 5 is approximately 1 ohm) into the base electrode of the bipolar transistor 45, causing the latter to generate a current 1 conducts about 40 A through its collector-emitter current path, with a voltage V ce of about 5 V and a voltage Vbe of about 1.0 V between its base and emitter electrodes and a load current IL of 44 A being present. Under the stated equilibrium conditions and assuming that the bipolar transistor 45 is working at the saturation edge, the power P c consumed by the device (cf. FIG. 9) is about 218 W, which can be derived from the following equation: This compares to switching the same level of a load current (44 A) to a power level of consumption of 1,936 W (see. Fig. 6) in the circuit of FIG. 4 with only one VMOS device 31 and with 44 W (see 3) in the circuit of FIG. 1 with only one bipolar transistor 1. However, since the bipolar transistor 45 can only work up to the saturation edge, the charge storage time t of the combined semiconductor device 45, 47 of FIG essentially equal to zero, while -when the bipolar transistor 1 is driven in saturation -this has a storage time of a few.
Abhängig von der Hinterflanke des Steuerimpulses 59 schaltet der VMOS-Transistor 47 insbesondere in 0,05 ps und der Bipolar-Tra:.s#stor ca. 0,45 später aus. Entsprechend beträgt die-Ausschaltzeit für die zusammengefaßte Halbleitervorrichtung 45, 47 ca. 0,5 µs. Dies wird mit einer Ausschaltzeit aus der Sättigung verglichen, die für den Transistor 4S allein einen hohen Wert von 3,7 us besitzt.Depending on the trailing edge of the control pulse 59, the VMOS transistor switches 47 in particular in 0.05 ps and the bipolar tra: .s # stor about 0.45 later the end. Accordingly, the turn-off time for the integrated semiconductor device is 45, 47 approx. 0.5 µs. This is compared with a switch-off time from saturation, which for the transistor 4S alone has a high value of 3.7 us.
Laborversuche haben die obigen Erläuterungen bestätigt; die Schaltung de#r Fig. 7 wurde aufgebaut mittels eines VN23IA-VMOS-Transistors (hergestellt von der Firma Siliconix Incorporated, Santa Clara,-# Kalifornien, #USA)# für den Transistor 47, einem 20 Ohm-Widerstand für die Last 9,einem 2 Ohm-Widerstand für den Widerstand 49 und-einem MJE13009-Bipolar-Transistor (hergestellt von der Firma; Motorola Semiconductor Products Inc., Phoenix, Arizona, 85036)für den Transistor 45. Die Her -steller-Angaben für - den#-#VN23IA-#VM0S-Tra#eisto#r sind die folgenden VDSmax (höchste Drain-source-spantung) =200 V IDSmax. (größerter Drain-Source-Strom) = 8 A Tein (Einschaltzeit bei einem-Impulsvon +5 V am Gate) = 0,05 µs T aus (Ausschaltzeit) rds (Widerstandswert zwischen Drain-und Source-Elektrode,-wenn eingeschaltet) = 0,3 Ohm Die Hersteller-An.gaben für den MJE13009-Bipolar-Transistor sind: VcEmax (höchste Kollektor-Emitter-Spannung) = 400 V ICM (größter Kollektorstrom in gepulster Betriebsart) = 24 A Ic (größter erlaubter kontinuierlicher Kollektorstrom) = 12 A (Gleichstrom) Tein (Einschaltzeit zum widerstandsmäßigen Schalten von 125 V bei Ic =5 A) = - 0,41 Taus (Ausschaltzeit von einem Betrieb mit Widerstands-Last, 125 V Betriebsspannung bei 1 = 5A) = 1,65 ps c Wenn +E den Wert 100 V aufweist und ein Impuls mit einer Amplitude von +5 V an der Gate-Elektrode G des VMOS-Transistors 47 liegt, so wird der Bipolar-Transistor 45 in 0,1 ps eingeschaltet. Wenn der Impuls von +5 V entfernt wird, wobei die Spannung am Gate stufenartig auf Null verringert wird, so schaltet der Bipolar-Transistor 45 in 0,4 ps aus.Laboratory tests have confirmed the above explanations; the circuit de # r Fig. 7 was constructed using a VN23IA-VMOS transistor (manufactured by from Siliconix Incorporated, Santa Clara, - # California, #USA) # for the transistor 47, a 20 ohm resistor for the load 9, a 2 ohm resistor for the resistor 49 and-an MJE13009 bipolar transistor (manufactured by Motorola Semiconductor Products Inc., Phoenix, Arizona, 85036) for transistor 45. The manufacturer's information for - the # - # VN23IA- # VM0S-Tra # eisto # r are the following VDSmax (highest drain-source-spantung) = 200 V IDSmax. (larger drain-source current) = 8 A Ton (switch-on time with a pulse of +5 V at the gate) = 0.05 µs T off (switch-off time) rds (resistance value between drain and Source electrode, if switched on) = 0.3 Ohm The manufacturer's specifications for the MJE13009 bipolar transistor are: VcEmax (highest collector-emitter voltage) = 400 V ICM (largest collector current in pulsed operating mode) = 24 A Ic (largest permitted continuous collector current) = 12 A (direct current) Tein (switch-on time for resistance switching of 125 V at Ic = 5 A) = - 0.41 ts (switch-off time from operation with resistance load, 125 V operating voltage at 1 = 5A) = 1.65 ps c When + E has the value 100 V and a pulse with an amplitude of +5 V. is connected to the gate electrode G of the VMOS transistor 47, the bipolar transistor 45 switched on in 0.1 ps. When the pulse is removed from +5 V, the voltage is gradually reduced to zero at the gate, the bipolar transistor switches 45 in 0.4 ps.
Das Einschaltverhaiten für den gleichen MJE13009-Bipolar-Transistor, der oben verwendet wurde, wurde in der Schaltung der Fig. 7 untersucht, wobei die gleichen Bauelemente, wie oben dargestellt, verwendet wurden, mit der Ausnahme, daß die 20 Ohm-Widerstands last durch drei parallel geschaltete 100 Watt-Glühlampen ersetzt und die Betriebsspannung von 100 V auf 150 V verändert wurde. Der Kaltwiderstand für jede Glühlampe beträgt ca. 3 Ohm; daher bildet die Glühlampen-Last 9 eine Last von ca.The switch-on behavior for the same MJE13009 bipolar transistor, used above was examined in the circuit of FIG. 7, the the same components as shown above were used, with the exception that the 20 ohm resistor is loaded by three 100 watt incandescent lamps connected in parallel replaced and the operating voltage was changed from 100 V to 150 V. The cold resistance for each light bulb is about 3 ohms; therefore, the incandescent lamp load 9 constitutes a load from approx.
1,0 Ohm, wenn die Lampen kalt sind. Beim Beginn des Einschaltens des Bipolar-Transistors 45 (ber das Anlegen eines Spannungsimpulses an das Gate des VMOS-Transistors 47, vgl. oben), wurde ein Einschaltstrom mit einer Größe von ca. 100 A ohne Ausfall des Bipolar-Transistors 45 gemessen. Dieser Einschaltversuch wurde mehrere Male mit dem gleichen Ergebnis wiederholt. Demgemäß beträgt in der Schaltung der Fig. 7 die kurzzeitige oder Einschalt- Belastbarkeit des MJE13009-Bipolar-Transistors 45 wenigstens das 4-fache seiner Kenngröße von 24 A.1.0 ohms when the lamps are cold. When starting to turn on the Bipolar transistor 45 (by applying a voltage pulse to the gate of the VMOS transistor 47, see above), an inrush current with a size of approx. 100 A measured without failure of the bipolar transistor 45. This switch-on attempt was repeated several times with the same result. Accordingly, in the The circuit of FIG. 7 shows the short-term or switch-on load capacity of the MJE13009 bipolar transistor 45 at least 4 times its parameter of 24 A.
Zusammenfassend hat die erfindungsgemäße Vorrichtung 45, 47 eine Schaltgeschwindigkeit, die einige Male schneller (wenigstens 4-mal schneller) als bei einem Bipolar-Leistungstransistor ist; sie hat außerdem eine Einschalt-Leistungsfähigkeit, die etwa 4-mal größer als bei einem Bipolar-Transistor ist; sie ist auch unempfindlich gegenüber einer thermischen Instabilität, wenn sie mit anderen derartigen Vorrichtungen 45, 47 parallel geschaltet ist; und sie hat schließlich eine Verlustleistung bei voller Leitung, die etwa 8-mal kleiner als die Verlustleistung einer Leistungs-VMOS-Vorrichtung ist, die einen gleich großen Strom leitet. Die Vorrichtung 45, 47 liefert auch eine 1012 Ohm überschreitende Gleichstrom-Eingangsimpedanz und einen 106 überschreitenden Gleichstrom-Verstärkungsfaktor.In summary, the device 45, 47 according to the invention has a switching speed several times faster (at least 4 times faster) than a bipolar power transistor is; it also has an on-power capability that is about 4 times greater than is in a bipolar transistor; it is also insensitive to a thermal one Instability when connected in parallel with other such devices 45, 47 is; and it eventually has a power dissipation at full conduction that is about 8 times is less than the power dissipation of a power VMOS device that has a conducts equal current. The device 45, 47 also provides one in excess of 1012 ohms DC input impedance and a DC gain factor exceeding 106.
In Fig. 10 is#t eine Vorspannungsquelle 67 in der Leistungs-Schalteinrichtung 45, 47 vorgesehen, um zu gewährleisten, daß die Vorrichtung 45, 47 direkt von Logik-Gliedern sehr geringer Leistung rasch eingeschaltet werden kann. Die Vorspannungsquelle 67 erfordert lediglich wenig aufwendige Bauelemente, da durch den VMOS-Transistor 47 nur eine sehr geringe Ansteuerleistung benötigt wird. Die -Vorspannungsquelle 67 enthält zwei Widerstände 69, 71,eine Zener- oder Z-Diode 73 und einen Kondensator 75 zum Filtern. Wann immer in dieser Schaltung das Ausgangssignal von einem mit dem Steueranschluß 5 verbundenen Logikglied auf einen "hohen" oder positiven Logik-Pegel übergeht, spricht die Vorspannungsquelle 67 an, indem im wesentlichen der Ansteuerstrom von -ca. 100 nA in das Gate des VMOS-Transistors 47 Aber den Widerstand 71 eingespeist wird, um die zusammengefaßte Vorrichtung 45, 47 einzuschalten.In Fig. 10, there is a bias source 67 in the power switching device 45, 47 are provided to ensure that the device 45, 47 is directly from logic gates very low power can be switched on quickly. The bias source 67 requires only few complex components, since the VMOS transistor 47 only a very low control power is required. The bias source 67 contains two resistors 69, 71, a Zener or Zener diode 73 and a capacitor 75 for filtering. Whenever in this circuit the output signal from one with the control terminal 5 connected logic element to a "high" or positive logic level passes, the bias voltage source 67 responds by essentially the drive current from -approx. 100 nA fed into the gate of VMOS transistor 47 but resistor 71 is to turn on the combined device 45, 47.
In-Fig. 11 hat ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Vielzahl von N (N = ganzzahlig: 2,3....) Schaltern 77 (Vorrichtungen 45, 47) , deren einzelnen Eingangs- oder Steueranschlüsse 5 mit dem Ausgang ein#es Inverter-Puffer-Ansteuergliedes 78 zusammengeschaltet sind. Diese #N-Schalter 77 können auf einem gemeinsamen Substrat vorgesehen sein. Eine Diode 79 liegt antiparallel zum Bipolar-Transistor 45 jedes Scha#lters 77. Diese Diode 79 erlaubt ein zweiseit£ges Schalten der Schalter 77, wenn. komplexe Impedanzen ,wie# z.B. induktive Lasten, angesteuert sind. Die Dioden 79 können auf dem gleichen Substrat Schaltern 77 mit den N Schaltern 77 integriert sein. Ein Optokoppler 81 liefert eine elektrische Isolation zwischen einer Eingangssignal-Quelle, die zwischen Eingangsanschlüssen 83 und 85 des Optokopplers 81 liegt. Auf diese Weise sind Signal-Masse und Leistungs-Schalteinrichtung-Masse voneinander isoliert, wodurch im wesentlichen ausgeschlossen wird, daß Leistungs-Einschaltstöße ein fehlerhaftes Auslösen der Schalteinrichtung verursachen. Eine erdfreie oder schwimmende Vorspannungsquelle 87 liegt zwischen einem Leistungsanschjuß###89 und einem'lokalen Masse (LG)-Anschluß 91 für die# Leistungsschaltseite der Schaltung. Die Vorspannungsquelle 87 enthält-einen Widerstand 93, eine Z-Diode 95 und einen Filterkondensator 97. Die Vorspannungsquelle 87 liefert Leistung für den Optokoppler 81. und das Puffer-Ansteuerglied 78 , wie dies dargestellt ist. Ein Hochziehwiderstand 79 liegt zwischen dem Anschluß 89 und dem Ausgang des Ansteúergliedes 78. Wie oben erläutert wurde, können die Schalter 77 direkt parallel verbunden sein, um Ströme mit Größen etwa gleich dem N-fachen Strom-Schalt-Nennwert eines einzelnen Schalters 77 zu schalten. Auch können die Schalter 77 mit deren Hauptstromwegen in Reihe verbunden sein, um den Spannungsdurchbruch bezüglich eines einzigen Schalters 77 um einen Faktor von ca. N zu erhöhen. Wenn jedoch die Schalter 77 in Reihe verbunden sind, sind die Gates der jeweiligen VMOS-Transistoren 47 vorzugsweise nicht zusammengeschaltet, sondern jedes Gate ist durch eine einzelne schwimmende oder erdfreie Quelle 87 und die Optokoppler-Schaltung 81, 78 angesteuert, wobei die lokalen Massen (LG) auf die Spannung am Anschluß 7' von deren jeweiligem Schalter 77 bezogen sind. Für Erläuterungszwecke sei angenommen, daß jeder der Schalter 77 in den elektrischen Eigenschaften gleich ist; in der Praxis ist dies nicht notwendig zutreffend. Für einen gegebenen Schalter 77 kann die Strombelastbarkeit der VMOS-Vorrichtung 47 erzeugt werden, indem mehrere VMOS-Vorrichtungen parallel geschaltet werden, um die Funktion der VMOS-Vorrichtung 47 mit einer Strombelastbarkeit im wesentlichen gleich einigen der Strom-Nennwerte der mehreren VMOS-Vorrichtungen zu liefern. Auf ähnliche Weise können mehrere NPN-Bipolar-Transistoren parallel verbunden werden, um die Funktion eines Bipolar-Transistors 45 mit einem Strom-Nennwert im wesentlichen gleich der Summe der Strom-Nennwerte der einzelnen Bipolar-Transistoren zu liefern.In-Fig. 11, another embodiment of the invention has one Plurality of N (N = integer: 2,3 ....) switches 77 (devices 45, 47), whose individual input or control connections 5 with the output of an inverter buffer control element 78 are interconnected. These # N switches 77 can be on a common substrate be provided. A diode 79 is anti-parallel to the bipolar transistor 45 each Switch 77. This diode 79 allows the switches 77 to be switched on both sides, if. complex impedances, such as # e.g. inductive loads, are controlled. The diodes 79 switches 77 can be integrated with the N switches 77 on the same substrate be. An optocoupler 81 provides electrical isolation between an input signal source, which lies between input connections 83 and 85 of the optocoupler 81. To this Signal ground and power switchgear ground are isolated from each other, which essentially precludes power inrushes from being a faulty Cause the switching device to trip. A floating or floating bias source 87 lies between a power connection ### 89 and a local ground (LG) connection 91 for the # power switching side of the circuit. The bias source 87 includes one Resistor 93, a Zener diode 95 and a filter capacitor 97. The bias source 87 provides power for the optocoupler 81st and the buffer driver 78, such as this is shown. A pull-up resistor 79 is located between terminal 89 and the output of the control element 78. As explained above, the switches 77 be connected directly in parallel to currents with sizes approximately equal to N times Current switching nominal value of a single switch 77 to switch. They can also Switch 77 be connected in series with their main current paths to the Voltage breakdown with respect to a single switch 77 to be increased by a factor of approximately N. if however, the switches 77 connected in series are the gates of the respective VMOS transistors 47 preferably not interconnected, but each gate is through a single one floating or floating source 87 and the optocoupler circuit 81, 78 controlled, the local masses (LG) referring to the voltage at terminal 7 'of their respective Switch 77 are related. For purposes of illustration, it will be assumed that each of the switches 77 is the same in electrical properties; in practice this is not necessary applicable. For a given switch 77, the current rating of the VMOS device 47 can be generated by connecting multiple VMOS devices in parallel, to the function of the VMOS device 47 with a current carrying capacity essentially equal to some of the current ratings of the multiple VMOS devices. on similar way several NPN bipolar transistors can be connected in parallel, essentially about the function of a bipolar transistor 45 with a nominal current value equal to the sum of the nominal current values of the individual bipolar transistors.
Wie oben erläutert wurde, umfaßt die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung die Kombination einer VMOS-Vorrichtung 47, die mit ihrem Hauptstromweg zwischen der Kollektor- und Emitterelektrode eines Bipolar-Transistors 45 liegt. Ein Widerstand 49 mit kleinem Widerstandswert liegt zwischen der Basis- und Emitterelektrode des Bipolar-Transistors 45, um einen Entladungsweg für die in der Basis des Transistors 45 gespeicherte Ladung zu bilden, und um diesen Transistor während Null-Vorspannungsbedingungen ausgeschaltet zu halten. Diese Vorrichtung 45, 47 kann vollständig auf einem einzigen Substrat integriert sein. Indem eine Mitkopplung zwischen der Kollektor- und Emitterelektrode des Bipolar-Transistors 45 erzeugt wird, erhöht der VMOS-Transistor 47 die Einschalt-Leistungsfähigkeit des Bipolar-Transistors 45 um einen Faktor 4 bis 10. Die Einschalt-Leistungsfähigkeit des Bipolar-Transistors 45 ist erhöht, da - wann immer eine kurzzeitige oder Einschaltspannung eine Steigerung der Spannung zwischen seiner Kollektor- und Emittere-lektrode (V e) bewirkt, was die Leitung des Transistors 45 weiter weg von der Sättigung bringt -der VMOS-Transistor 47 wirkt,um mehr Strom von der Kollektor- zur Basiselektrode des Transistors 45 rückzukoppeln, was den letzteren zwingt, schwerer zu leiten und zurück zur Sättigung zu gehen, wodurch die Kollektor-Emitter-Spannung V und damit eine ce übermäßige Leistungsaufnahme infolge des kurzzeitigen Zustandes verringert wird. Nach anfänglichem Einschalten der Vorrichtung 45, 47 erlaubt der vom VMOS-Transistor 47 verfügbare hohe Basisstrom anfänglich ein Übersteuern des Bipolar-Transistors 45, wobei weiterhin ein Bipolar-Leitungstransistor 45 mit geringerem B- oder Gleichstrom-Verstärkungsfaktor verwendet werden kann; der Transistor 45 mit geringerem B-Faktor erhöht die Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung 45, 47. Zusätzlich kann die zusammengefaßte Vorrichtung 45 , 47, wenn sie mit anderen ähnlichen Vorrichtungen parallel verbunden ist, thermisch nicht instabil werden; sie hat eine höhere Schaltgeschwindigkeit als ein Leistungs-Bipolar-Transistor allein und verbraucht wesentlich weniger Leistung als ein Leistungs-VMOS-Transistor allein. Auch kann der er- findungsgemäße Schalter 45, 47 auf einem einzigen Substrat hergestellt werden, und er kann einen Strom von wenigstens 5A bei Spannungspegeln schalten, die 50 V überschreiten. Infolge des hohen Verlustes während der Leitung der gegenwärtig verfügbaren VMOS-Transistoren ist es derzeit jedoch nicht zweckmäßig, den vorliegenden Schalter 45, 47 bei Leistungspegeln einzusetzen, die 2 kW überschreiten (Forschritte in der VMOS-Technologie steigern sicher den Nutzleistungspegel von VMOS-Transistoren).As explained above, the switching device according to the invention comprises the combination of a VMOS device 47 connected with its main current path between the collector and emitter electrode of a bipolar transistor 45 is located. A resistance 49 with a small resistance value lies between the base and emitter electrodes of the Bipolar transistor 45 to provide a discharge path for those in the base of the transistor 45 stored charge, and around this Transistor during Keep zero bias conditions off. This device 45, 47 can be fully integrated on a single substrate. By having a positive feedback generated between the collector and emitter electrodes of the bipolar transistor 45 the VMOS transistor 47 increases the turn-on efficiency of the bipolar transistor 45 by a factor of 4 to 10. The turn-on capacity of the bipolar transistor 45 is increased because - whenever a short-term or switch-on voltage is an increase the voltage between its collector and emitter electrode (V e) causes what the conduction of transistor 45 moves further away from saturation - the VMOS transistor 47 acts to move more current from the collector to the base electrode of transistor 45 feed back, forcing the latter to be harder to conduct and back to saturation to go, reducing the collector-emitter voltage V and therefore a ce excessive Power consumption is reduced as a result of the short-term condition. After initial Turning on the device 45, 47 allows that available from the VMOS transistor 47 high base current initially overdriving the bipolar transistor 45, while continuing a bipolar conduction transistor 45 with a lower B or DC gain factor can be used; the lower B-factor transistor 45 increases the switching speed of the device 45, 47. In addition, the combined device 45, 47, when connected in parallel with other similar devices, not thermally become unstable; it has a faster switching speed than a power bipolar transistor alone and uses significantly less power than a power VMOS transistor alone. The inventive switch 45, 47 on one single substrate and it can carry a current of at least 5A switch at voltage levels that exceed 50 V. As a result of the high loss it is currently while the currently available VMOS transistors are conducting however not expedient to use the present switch 45, 47 at power levels that exceed 2 kW (advances in VMOS technology are sure to increase the Useful power level of VMOS transistors).
VMOS-Vorrichtungen haben - worauf bereits hingewiesen wurde - viel schnellere Schaltgeschwindigkeiten als Bipolar-Transistoren. In bestimmten Anwendungen kann diese Schaltgeschwindigkeit-Differenz Einschaltprobleme beim Einschalten der Schaltung der Fig. 7 verursachen. Wenn z.B. ein Steuersignal einer positiven Polarität und ausreichenden Amplitude am Gate- oder Steueranschluß 5' liegt, schaltet der VMOS-Transistor 47 rasch ein und führt für eine kurzzeitige Zeitdauer im wesentlichen den gesamten Laststrom über seinen Drain-Source-Stromweg, bis der Bipolar-Transistor 45 einzuschalten beginnt und den Spannungspegel zwischen seiner Kollektor- und Basiselektrode herabsetzt. Wenn der anfängliche Einschaltstrom von ausreichender Größe und Zeitdauer ist, kann im VMOS-Transistor 47 eine übermäßige Leistungsaufnahme auftreten, wodurch die Vorrichtung beschädigt wird, da sie einen Basisstrom zum Bipolar-Transistor 45 speist.As indicated, VMOS devices have a lot faster switching speeds than bipolar transistors. In certain applications This switching speed difference can cause switch-on problems when switching on the 7 cause circuit. For example, when a control signal of positive polarity and sufficient amplitude at the gate or control terminal 5 ', the switches VMOS transistor 47 turns on rapidly and essentially performs for a short period of time all load current through its drain-source current path until the bipolar transistor 45 begins to turn on and the voltage level between its collector and base electrodes belittles. When the initial inrush current is of sufficient magnitude and duration is, excessive power consumption may occur in the VMOS transistor 47, whereby the device will be damaged as it is a base current to the bipolar transistor 45 feeds.
Auch kann der große Stromstoß den Bipolar-Transistor 45 beschädigen. Eine Methode zum Begrenzen der Größe dieses Einschaltstromes liegt in üblicher Weise in der Verwendung von Dämpfungsgliedern, die auch während der Einschaltdauer wirken. Eine Möglichkeit besteht in der Anordnung einer reaktiven Impedanz in Reihe mit dem Stromweq der zu schützenden Vorrichtung.The large current surge can also damage the bipolar transistor 45. One method of limiting the magnitude of this inrush current is conventional in the use of attenuators that also work during the duty cycle. One possibility is to arrange a reactive impedance in series with the current path of the device to be protected.
In Fig. 12 zeigt ein anderes schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schalteinrichtung, die keine Dämpfungsschaltung benötigt, um die oben beschriebenen kurzzeitigen oder transienten Probleme beim Einschalten zu verrleiden. Esne zweite VMOS-Vorrichtung 101- ist der Gründ-Schalteinrichtung 45, 47 beigefügt, wie dies dargestellt ist. Der Transistor 101 kann - obwohl als ein VMOS-Transistor dargestellt - auch ein#Niederleistungs-Bipolar-Transistor sein, da ein schneller Schalttransistor geringer Leistung und geringer Spannung die Funktion des Transistors 101 liefert, wie dies weiter unten näher erläutert wird. Dieser zusätzliche Transistor 101 kann diskret eingefügt oder auf dem gleichen integrierten Schaltungschip 103~mit der Vorrichtung 45 , 47 und dem Widerstand 49 enthalten sein. Die gesamte Schaltung der Fig.In Fig. 12 shows another schematic embodiment of the Invention a switching device that does not require a damping circuit to the to avoid the short-term or transient power-up problems described above. A second VMOS device 101 is attached to the green switching device 45, 47, as shown. The transistor 101 may - although as a VMOS transistor shown - also be a # low power bipolar transistor as a faster one Low power and low voltage switching transistor perform the function of the transistor 101 supplies, as will be explained in more detail below. That extra transistor 101 can be inserted discreetly or on the same integrated circuit chip 103 ~ with the device 45, 47 and the resistor 49 may be included. The entire circuit of Fig.
12 kann auch lediglich aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein. Eine Vorspannungsquelle 105 mit drei Widerständen 107, 109, 111, einer Diode 113, einer Z-Diode #115, einem Betriebsspannungsanschluß 117 zur -Aufnahme einer Betriebsspannung +E, einem Bezugsanschluß 119 zur Verbindung mit einem Bezugspotentialpunkt und einem Filterkondensator 121 liefert Vorspannungen an die Gate- und Drain-Elektroden der VMOS-Transistoren 47 bzw. 101. Ein Integrierglied 123 mit einem Widerstand 125 und einem Kondensator 127 liegt zwischen einem Eingangs- oder Steueranschluß 129 und einem Bezugsanschluß 131. Ein Differenzierglied mit einem Kondensator 135 und einem Widerstand 137 liegt zwischen dem Steueranschluß 129 und dem Bezugsanschluß 131.12 can also be constructed from only discrete components. A bias source 105 with three resistors 107, 109, 111, a diode 113, a Zener diode # 115, an operating voltage connection 117 for receiving an operating voltage + E, a reference terminal 119 for connection to a reference potential point and a Filter capacitor 121 provides bias voltages to the gate and drain electrodes of the VMOS transistors 47 and 101, respectively. An integrator 123 with a resistor 125 and a capacitor 127 is between an input or control terminal 129 and a reference terminal 131. A differentiator having a capacitor 135 and a Resistor 137 lies between control terminal 129 and reference terminal 131.
-Im Betrieb der Schaltung der Fig. 12 liegt am Steueranschluß 129 ein einen positiven Wert annehmendes Steuersignal oder ein Spannungsstufensignal. Das Differenzierglied 133 spricht auf dieses Signal an, indem (innerhalb einer im wesentlichen kurzen Zeit) am Verbindungspunkt des Kondensators 135 und des Widerstandes 137 ein eine positive Spannung annehmender Impuls erzeugt wird, der dem Gate des VMOS-Transistors 101 zugeführt wird. Abhängig von diesem positiven Impuls schaltet der VMOS-Transistor 101 mit einem kurzzeitigen Übersteuern ein , wobei die Impedanz zwischen seinen Drain-Source-Elektroden herabgesetzt wird, um einen Strom über seinem Drain-Source-Stromweg vom Widerstand 111 der Vorspannungsquelle 105 zur Basiselektrode des NPN-Transistors 45 zu leiten. Der Transistor 45 spricht auf diesen Basisstrom an, indem er einzuschalten und die Impedanz zwischen seinen Kollektor-Emitter-Elektroden zu verringern beginnt, wodurch die Spannung an seiner Kollektorelektrode herabgesetzt wird. Die Daten der Bauelemente des Differenziergliedes 133 und des Integriergliedes 123 sind so gewählt, daß - gerade nachdem der Transistor 45 im wesentlichen eingeschaltet ist - das Integrierglied 123 bemessen ist, am Kondensator 127 eine Spannung einer ausreichenden positiven Amplitude zu entwickeln, damit der VMOS-Transistor 47 das Einschalten des Transistors 45 abschließen kann, und damit dieser in einem hohen Leitungszustand gehalten wird. Infolge des früheren Beginns des Einschaltens des Transistors 45 über den VMOS-Transistor 101 und das Differenzierglied 133 schaltet demgemäß der VMOS-Transistor 47 mit einem wesentlich verringerten Einschaltverlust , wie dies oben erläutert wurde. Gerade nach dem Einschalten des VMOS-Transistors 47 wird der Kondensator 135 des Differenziergliedes 133 im wesentlichen geladen, wodurch sich die Spannung an der Gate-Elektrode des VMOS-Transistors 101 dem Bezugspotential am Anschluß 131 über den Widerstand 137 nähert, wobei dieser Transistors 101 ausgeschaltet wird. So lange das am Steueranschluß 129 liegende Steuersignal "hoch" oder auf einem ausreichend positiven Pegel bleibt, bleibt der VMOS-Transistor 47 danach eingeschaltet, um einen Basisstrom in den Bipolar-Transistor 45 zu speisen, wodurch der letztere bis zur Sättigungskante leitend gehalten wird, wie dies oben erläutert wurde. Wenn das Steuersignal entfernt oder sein Pegel im wesentlichen auf den Pegel des Bezugspotentiales verringert wird, wird der VMOS-Transistor 47 rasch über die Diode 124 ausgeschaltet, was anschließend den Transistor 45 aus seinem nicht gesättigten leitenden Zustand ausschaltet. Da der VMOS-Transistor 47 viel rascher als der Bipolar-Transistor 45 ausschaltet ~wirkt die Bipolar-Vorrichtung als ein Ausschalt-Dämpfungsglied für den VMOS-Transistor 47. Die Schaltung der Fig. 12 ermöglicht ein Schalten sehr hoher Frequenz in einem Bereich, der 100 kHz überschreitet. Mittels gegenwärtiger Leistungstransistoren für den Transistor 45 kann diese Schaltung bis hinauf zu 600 V bei 60 kW überschreitenden Leistungspegeln schalten. Das Differenzierglied 133 und das Integrierglied 123 können weggelassen werden, indem einzelne Steuersignale von einem (nicht gezeigten) Steuergliedean die Gates der VMOS-Transistoren 101 und 47 gelegt werden, wobei die Amplituden, Phasenbeziehungen und Zeitdauern dieser Steuersignale für einen Betrieb der Transistoren 101 und 47 vorbestimmt sind, wie dies oben erläutert wurde.During operation of the circuit of FIG. 12, control terminal 129 is applied a control signal taking a positive value or a voltage level signal. The differentiator 133 responds to this signal, by (within a substantially short time) at the connection point of the capacitor 135 and the resistor 137 generates a pulse that assumes a positive voltage, which is supplied to the gate of the VMOS transistor 101. Depending on this positive Impulse switches on the VMOS transistor 101 with a brief overdrive, wherein the impedance between its drain-source electrodes is decreased to a current through its drain-source current path from resistor 111 of the bias source 105 to conduct the base electrode of the NPN transistor 45. The transistor 45 speaks on this base current by turning it on and adjusting the impedance between its Collector-emitter electrodes begin to decrease, reducing the voltage across its Collector electrode is lowered. The data of the components of the differentiating element 133 and the integrator 123 are chosen so that - just after the transistor 45 is essentially on - the integrator 123 is sized on the capacitor 127 to develop a voltage of sufficient positive amplitude that the VMOS transistor 47 can complete the turning on of transistor 45, and thus this is held in a high conduction state. As a result of the earlier start of turning on the transistor 45 via the VMOS transistor 101 and the differentiating element 133 accordingly switches the VMOS transistor 47 with a substantially reduced turn-on loss as explained above. Just after turning on the VMOS transistor 47 the capacitor 135 of the differentiating element 133 is essentially charged, whereby the voltage at the gate electrode of the VMOS transistor 101 is the reference potential approaches at terminal 131 via resistor 137, this transistor 101 being switched off will. As long as the one at the control terminal 129 Control signal remains "high" or at a sufficiently positive level, the VMOS transistor remains 47 then switched on to feed a base current into the bipolar transistor 45, whereby the latter is kept conductive up to the saturation edge, as above was explained. When the control signal is removed or its level substantially is reduced to the level of the reference potential, the VMOS transistor 47 becomes quickly switched off via the diode 124, which then the transistor 45 from its switches off the non-saturated conductive state. Since the VMOS transistor 47 a lot faster than the bipolar transistor 45 turns off ~ the bipolar device acts as a turn-off attenuator for the VMOS transistor 47. The circuit of Fig. 12 enables very high frequency switching in a range exceeding 100 kHz. Using current power transistors for transistor 45, this circuit can switch up to 600 V at power levels exceeding 60 kW. The differentiator 133 and the integrator 123 can be omitted by adding individual control signals from a controller (not shown) to the gates of VMOS transistors 101 and 47, the amplitudes, phase relationships and time durations of these Control signals for operation of the transistors 101 and 47 are predetermined as this has been explained above.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/040,991 US4329705A (en) | 1979-05-21 | 1979-05-21 | VMOS/Bipolar power switching device |
US06/041,008 US4303841A (en) | 1979-05-21 | 1979-05-21 | VMOS/Bipolar power switch |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3019210A1 true DE3019210A1 (en) | 1980-12-04 |
Family
ID=26717686
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19803019210 Withdrawn DE3019210A1 (en) | 1979-05-21 | 1980-05-20 | VMOS FET switching device - has bipolar power transistors connected in parallel and biassed at working point below saturation |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3019210A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3709383A1 (en) * | 1987-03-21 | 1988-09-29 | Licentia Gmbh | Device for driving transistor switches in a Darlington arrangement |
-
1980
- 1980-05-20 DE DE19803019210 patent/DE3019210A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3709383A1 (en) * | 1987-03-21 | 1988-09-29 | Licentia Gmbh | Device for driving transistor switches in a Darlington arrangement |
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