ES2593907T3 - Circuito y procedimiento de accionamiento para MOSFET - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento de utilización de un circuito para accionar un dispositivo semiconductor de puerta aislada (12) que comprende como un primer terminal una puerta (20) y al menos terminales segundo y tercero (22, 24), comprendiendo el circuito un dispositivo de almacenamiento de carga (14) y medios de conmutación (16, 116) conectados en un circuito en serie a la puerta del dispositivo semiconductor para aplicar un pulso de carga desde el dispositivo de almacenamiento de carga a la puerta del dispositivo semiconductor a fin de conmutar el dispositivo semiconductor entre uno de un estado cerrado y un estado abierto y el otro del estado cerrado y del estado abierto, caracterizado porque la velocidad de conmutación de los medios de conmutación es menor que 2 ns por lo que la duración del pulso de carga es tal que el pulso de carga se ha completado antes de un cambio en el flujo de corriente entre el segundo y tercer terminales (22, 24) del dispositivo de semiconductor y porque el pulso de carga aplica una tensión a la puerta de tres a cuatro veces más allá de la tensión nominal máxima de la puerta del dispositivo semiconductor.

Description

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DESCRIPCION
Circuito y procedimiento de accionamiento para MOSFET Campo tecnico
Esta invencion se refiere a un circuito y procedimiento para mejorar la velocidad de conmutacion de los dispositivos semiconductores de puerta aislada tales como transistores de efecto de campo de metal-oxido (MOSFET), mas particularmente de MOSFET de potencia.
Antecedentes
La capacitancia inherente a uniones de un transistor limita la velocidad a la que puede cambiar una tension de un circuito. Tambien es bien conocido que el efecto Miller tiene una influencia sobre la capacitancia en la puerta de los dispositivos del tipo mencionado anteriormente.
La tecnica anterior ensena una serie de procedimientos de aliviar el efecto Miller en circuitos de conmutacion de transistor de alta frecuencia, por ejemplo mediante la reduccion de impedancia de la fuente o la reduccion de la capacitancia de retroalimentacion, o ambas.
Incluso con estas mejoras, una salida de un MOSFET, tal como un IRF740 tfpicamente cambia a traves de 200 voltios en un tiempo de subida de aproximadamente 27 ns a una corriente maxima de 10 amperios y en un tiempo de cafda de aproximadamente 24 ns. Estos tiempos pueden ser demasiado largos para muchas aplicaciones.
Objeto de la invencion
En consecuencia, es un objeto de la presente invencion proporcionar un circuito de disparo y un procedimiento para la mejora de los tiempos de subida y/o de bajada de dispositivos semiconductores de puerta aislada con los que el solicitante considera que las desventajas antes mencionadas seran al menos aliviadas.
Sumario de la invencion
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invencion, se proporciona un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1.
El dispositivo semiconductor de puerta aislada puede ser un transistor de efecto de campo semiconductor de metal- oxido (MOSFET), tal como un MOSFET de potencia.
Alternativamente, el dispositivo semiconductor de puerta aislada puede ser un transistor bipolar de puerta aislada.
El pulso de carga puede elevar la tension de la puerta del dispositivo semiconductor de puerta aislada tres a cuatro veces mas alla de una calificacion maxima del dispositivo semiconductor.
Los medios de conmutacion pueden estar conectados entre el dispositivo de almacenamiento de carga y la puerta del dispositivo semiconductor.
Alternativamente, el dispositivo de almacenamiento de carga puede estar conectado en paralelo con los medios de conmutacion y el dispositivo semiconductor de puerta aislada.
Como una alternativa adicional, el dispositivo de almacenamiento de carga puede estar conectado en serie con los medios de conmutacion y el dispositivo semiconductor de puerta aislada.
Los medios de conmutacion pueden ser un SIDAC.
Alternativamente, los medios de conmutacion pueden ser seleccionados de un diodo de disrupcion, un transistor bipolar, un dispositivo semiconductor de puerta aislada adicional y un dispositivo de conmutacion rapida de alta tension.
Medios electronicos de control pueden ser proporcionados por los medios de conmutacion.
El dispositivo de almacenamiento de carga puede comprender un condensador.
Un inductor puede ser proporcionado entre los medios de conmutacion y la puerta.
Alternativamente, un inductor puede estar conectado en serie con los medios de conmutacion.
El circuito puede estar integrado en un unico chip.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invencion, se proporciona un circuito de acuerdo con la reivindicacion 16.
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Breve descripcion de los dibujos
Ahora se describira la invencion, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos donde:
La figura 1 La figura 2 La figura 3
La figura 4
La figura 5 La figura 6
La figura 7 La figura 8 La figura 9
La figura 10 La figura 11
es un diagrama de circuito basico de un circuito de disparo de acuerdo con la invencion para un MOSFET;
es un diagrama de una realizacion del circuito que comprende un SIDAC tan rapido dispositivo de conmutacion;
incluye un diagrama con lmeas de puntos de la puerta de tension contra el tiempo de funcionamiento especificado normal del MOSFET y un diagrama en lmeas continuas de funcionamiento de acuerdo con el procedimiento de la invencion;
incluye un diagrama con lmeas de puntos de corriente de puerta contra el tiempo de
funcionamiento especificado normal del MOSFET y un diagrama en lmeas continuas de
funcionamiento de acuerdo con el procedimiento de la invencion;
es un diagrama de otra realizacion del circuito de acuerdo con la invencion;
es una forma de onda de tension contra el tiempo en un primer terminal de un condensador de
almacenamiento de carga en la figura 5;
es una forma de onda de tension contra el tiempo en la fuente del MOSFET en la figura 5; es un diagrama de un circuito de disparo para un transistor bipolar de puerta aislada; es una forma de onda de tension contra el tiempo en un primer terminal de un condensador de almacenamiento de carga en el circuito de la figura 8;
es una forma de onda de tension contra el tiempo en un emisor del transistor en la figura 8; y es un diagrama de circuito basico de otra forma de realizacion del circuito de disparo.
Descripcion de una realizacion preferida de la invencion
En la figura 1, se muestra un diagrama basico de un circuito de disparo 10 de acuerdo con la invencion para un dispositivo semiconductor de puerta aislada 12, tal como un transistor de efecto de campo semiconductor de metal- oxido (MOSFET).
En el diagrama se muestra un MOSFET de potencia y que esta disponible de International Rectifier bajo la marca HEXFET numero IRF740. Un 10 % a 90 % del tiempo de subida de una tension de salida se especifica en las hojas de datos de usuario de acceso publico del dispositivo como siendo de aproximadamente 27 ns y un tiempo de cafda correspondiente se especifica como estando en el orden de 24 ns. Estos tiempos pueden ser demasiado largos para algunas aplicaciones del MOSFET. El tiempo de retardo de encendido se especifica en 14 ns y el tiempo de retardo de apagado en 50 ns.
El circuito de disparo 10 comprende un dispositivo de almacenamiento de carga en forma de un condensador 14 que tiene un primer y segundo terminales 14.1 y 14.2 respectivamente. El primer terminal 14.1 esta conectado en un circuito 17 a un dispositivo de conmutacion rapida 16. Un inductor opcional 18 esta conectado entre el dispositivo de conmutacion rapida 16 y una puerta 20 del MOSFET. El drenaje y la fuente del MOSFET se muestran en 22 y 24 respectivamente.
El dispositivo de conmutacion rapida 16 puede ser cualquier dispositivo adecuado que tenga una velocidad de conmutacion mas rapida que el tiempo de retardo de encendido especificado en la hoja de datos y/o del tiempo de retardo de apagado del MOSFET, preferiblemente mejor que 2 ns. Tales dispositivos pueden incluir un SIDAC, un diodo de disrupcion, una disposicion de transistor bipolar adecuadamente configurada, o cualquier otro dispositivo o circuito de conmutacion rapida adecuado.
Para encender el MOSFET, el dispositivo de conmutacion rapida se conecta electronicamente que transfiere rapidamente suficiente carga del condensador 14 a la puerta 20 del MOSFET, para encender el MOSFEt.
Diagramas de tiempo para el circuito de la figura 1 se muestran en las figuras 3 y 4. Los diagramas de lmeas discontinuas indican un funcionamiento normal especificado de la MOSFET 12. Por lo tanto, el diagrama 30 en la figura 3 muestra la tension de puerta del MOSFET durante el encendido convencional. El MOSFET esta conectado en 32 y el diagrama ilustra un tiempo de retardo de encendido de aproximadamente 34 ns. La corriente de puerta asociada se muestra en 34 en la figura 4.
Los diagramas para el procedimiento de acuerdo con la invencion se muestran en 36 y 38 en las figuras 3 y 4, respectivamente. En 40 en la figura 3, se muestra la rapida transferencia antes mencionada de carga desde el condensador 14 a traves del conmutador 16 y la consiguiente acumulacion de tension en la puerta del MOSFET. La posterior cafda en la tension de puerta mostrada en 42 es atribuible al efecto Miller antes mencionado. Lo que esta claro es que el equipo se enciende en 44, despues de solo 4 ns. La corriente asociada a la puerta 20 se muestra en 38 en la figura 4. Inicialmente, durante la etapa de transferencia de carga, la corriente de puerta es alta y despues de ello se reduce a un nivel insignificante. Tambien se cree que con corrientes de drenaje dentro de la especificacion de datos del MOSFET, tambien se reducen las perdidas de conmutacion con el procedimiento de conmutacion y el circuito de acuerdo con la invencion.
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El valor (C) del condensador 14, la tension (Vc) requerida en el condensador antes de conmutar y por lo tanto la tension de avance del dispositivo de conmutacion 16, la tension de umbral de puerta (Vt) del MOSFET 12 y la carga de puerta (Qs) requerida para la conmutacion completa del MOSFET estan relacionadas de acuerdo con la siguiente ecuacion:
C Vc
(Qs/Vt+C)
> Vt
En la figura 2 se muestra un diagrama de circuito del circuito de disparo 10 donde el primer dispositivo de conmutacion 16 es un SIDAC.
Una tension periodica se aplica a traves de un condensador 14, en paralelo con una conexion en serie de SIDAC 16 y la ruta de puerta-fuente de un MOSFET 12. Inicialmente, durante un primer ciclo medio, la tension suministrada a la entrada 19 es insuficiente para encender el SIDAC 16 y por lo tanto se carga el condensador 14. Cuando la tension suministrada alcanza el umbral del SIDAC 16 el mismo se enciende, lo que resulta en un circuito cerrado desde el condensador 14 a la puerta 20 del MOSFET 12, descargando parcialmente el condensador 14 y por lo tanto la carga de la puerta 20. El resultado es que una carga ahora sera compartida entre el condensador 14 y la puerta 20, de modo que algo de la tension, preferentemente por encima del umbral de la puerta con respecto a tierra, se aplica a la puerta.
Usando este procedimiento, la tension de puerta puede ser conducida por intervalos cortos aproximadamente tres a cuatro veces mas alla del valor de tension maximo de puerta a fuente de algunos MOSFETs 12 sin destruir el dispositivo.
Del mismo modo, cuando durante el otro medio ciclo la tension de puerta excede el umbral inverso del SIDAC 16 y la corriente se conduce en la direccion opuesta, la tension de puerta del MOSFET 12 cae hasta sustancialmente por debajo de la tension umbral del MOSFET 12 poco despues de que la carga se disipa desde la puerta 20 del MOSFET 12. Como resultado, el MOSFET 12 se apagara y la corriente de drenaje ya no fluira.
En la figura 5, se muestra un circuito de disparo alternativo y auto-oscilante para el MOSFET 12. Componentes del mismo que corresponden a los componentes de los circuitos de las figuras 1 y 2 se designan utilizando los mismos numeros de referencia. En esta forma de realizacion, los medios de conmutacion rapida 16 comprenden una disposicion de transistor bipolar.
La forma de onda de tension en 50 se muestra en la figura 6. La forma de onda de tension en la fuente 24 se muestra en la figura 7. De esta ultima forma de onda se puede ver en 52 que la fuente 24 del MOSFET 12 cambia entre un estado “abierto” a un estado “cerrado” a traves de 400 V en un tiempo de subida tr de aproximadamente 4 ns, que es sustancialmente mas rapido que el tiempo de subida especificado de 27 ns. Del mismo modo, y como se muestra en 54 se cambia desde el estado “cerrado” al estado “abierto” en un tiempo de cafda tf de aproximadamente 15 ns, que tambien es considerablemente mas corto que un tiempo de cafda especificado de aproximadamente 24 ns.
En la figura 8, se muestra el mismo circuito de disparo 10 para un transistor bipolar de puerta aislada 60 que tiene una puerta 62, un colector 64 y un emisor 66. El transistor es un dispositivo IRG4PC50W que esta siendo fabricado y vendido por International Rectifier. La forma de onda en 68 en la figura 8 se muestra en la figura 9 y la forma de onda en el emisor 66 de carga adyacente 70 se muestra en la figura 10.
A partir de esta ultima forma de onda se puede ver en 72 que el emisor 66 cambia entre un estado “abierto” y un estado “cerrado” a traves de 400 V en un tiempo de subida t, de alrededor de 4 ns, que es sustancialmente menor que un tiempo especificado de aumento de 33 ns.
En la figura 11 se muestra una realizacion adicional del circuito de disparo. Los medios de conmutacion comprenden un circuito de accionamiento 116 de baja impedancia de salida, de alta tension, de conmutacion rapida. El dispositivo 116 debe ser capaz de cambiar entre OV y Vd en un primer periodo de tiempo mas corto que un tiempo de retardo de encendido especificado del dispositivo 12. Vd es preferiblemente mas grande que 20 x Vt. Dispositivos de esta naturaleza estan disponibles en el mercado.
Se apreciara que hay muchas variaciones de detalle en el circuito de activacion y procedimiento de acuerdo con la invencion, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (16)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento de utilizacion de un circuito para accionar un dispositivo semiconductor de puerta aislada (12) que comprende como un primer terminal una puerta (20) y al menos terminales segundo y tercero (22, 24), comprendiendo el circuito un dispositivo de almacenamiento de carga (14) y medios de conmutacion (16, 116) conectados en un circuito en serie a la puerta del dispositivo semiconductor para aplicar un pulso de carga desde el dispositivo de almacenamiento de carga a la puerta del dispositivo semiconductor a fin de conmutar el dispositivo semiconductor entre uno de un estado cerrado y un estado abierto y el otro del estado cerrado y del estado abierto, caracterizado porque la velocidad de conmutacion de los medios de conmutacion es menor que 2 ns por lo que la duracion del pulso de carga es tal que el pulso de carga se ha completado antes de un cambio en el flujo de corriente entre el segundo y tercer terminales (22, 24) del dispositivo de semiconductor y porque el pulso de carga aplica una tension a la puerta de tres a cuatro veces mas alla de la tension nominal maxima de la puerta del dispositivo semiconductor.
  2. 2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el dispositivo de semiconductor de puerta aislada (12) es un transistor de efecto de campo metal-oxido semiconductor.
  3. 3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2, caracterizado porque el transistor de efecto de campo metal-oxido semiconductor es un transistor de efecto de campo metal-oxido semiconductor de potencia.
  4. 4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el dispositivo de semiconductor de puerta aislada (12) es un transistor bipolar de puerta aislada.
  5. 5. Un procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque el pulso de carga eleva la tension de puerta del dispositivo semiconductor de puerta aislada (12) de tres a cuatro veces mas alla de una tension nominal maxima del dispositivo semiconductor.
  6. 6. Un procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque los medios de conmutacion (16) estan conectados entre el dispositivo de almacenamiento de carga (14) y la puerta (20) del dispositivo semiconductor (12).
  7. 7. Un procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, caracterizado porque se aplica una tension periodica a traves de un condensador que forma el dispositivo de almacenamiento de carga (14), en paralelo con una conexion en serie de un SIDAC que forma los medios de conmutacion (16) y la ruta de puerta-fuente de un MOSFET que forma el dispositivo semiconductor (12).
  8. 8. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de carga (14) esta conectado en serie con los medios de conmutacion (16, 116) y el dispositivo semiconductor de puerta aislada (12).
  9. 9. Un procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque los medios de conmutacion (16) son un SIDAC.
  10. 10. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los medios de conmutacion (16) se seleccionan de un diodo de disrupcion, un transistor bipolar, un dispositivo semiconductor de puerta aislada adicional y un dispositivo de conmutacion rapida de alta tension (116).
  11. 11. Un procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque se proporcionan medios de control electronico para los medios de conmutacion (16).
  12. 12. Un procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de carga (14) comprende un condensador.
  13. 13. Un procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque se proporciona un inductor (18) entre los medios de conmutacion (16, 116) y la puerta (20).
  14. 14. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque se conecta en serie un inductor (18) con los medios de conmutacion (16, 116).
  15. 15. Un procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque el circuito se integra en un unico chip.
  16. 16. Un circuito para el accionamiento de un dispositivo de puerta aislada semiconductor (12) que comprende como un primer terminal una puerta (20) y al menos los terminales segundo y tercero (22, 24), comprendiendo el circuito un dispositivo de almacenamiento de carga (14) y medios de conmutacion (16, 116) conectados en un circuito en serie a la puerta del dispositivo semiconductor para aplicar un pulso de carga desde el dispositivo de almacenamiento de carga a la puerta del dispositivo semiconductor a fin de conmutar el dispositivo semiconductor entre uno de un estado cerrado y un estado abierto y el otro de un estado cerrado y un estado abierto, caracterizado porque la velocidad de conmutacion de los medios de conmutacion es menor que 2 ns, por lo que la
    duracion del pulso de carga es tal que el pulso de carga se ha completado antes de un cambio en el flujo de corriente entre el segundo y tercer terminales (22, 24) del dispositivo de semiconductor y porque el pulso de carga aplica una tension a la puerta de tres a cuatro veces mas alla de la tension nominal maxima de la puerta del dispositivo semiconductor.
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