RU148939U1

RU148939U1 - POWER REVERSED SEMICONDUCTOR DEVICE

Info

Publication number: RU148939U1
Application number: RU2014137204/08U
Authority: RU
Inventors: Игорь Павлович Воронин; Павел Анатольевич Воронин; Дмитрий Иванович Панфилов; Алла Анатольевна Вербицкая
Original assignee: Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского"
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2014-12-20

Abstract

Полезная модель относится к конструированию силовых полупроводниковых ключей и силовых интегральных схем, сочетающих преимущества полевого управления и биполярного механизма переноса тока и может быть использовано в схемах и устройствах энергетической электроники. Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности работы устройства и снижение энергии динамических потерь в элементах устройства. Силовое полупроводниковое устройство содержит тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор, регулирующий ключевой элемент и обратный диод. Указанный технический результат достигается тем, что анод обратного диода подключен к истоку ТЭУ. 2 илл. The utility model relates to the design of power semiconductor switches and power integrated circuits that combine the advantages of field control and a bipolar current transfer mechanism and can be used in circuits and devices of power electronics. The technical result, the achievement of which the proposed technical solution is directed, is to increase the reliability of the device and reduce the energy of dynamic losses in the elements of the device. The power semiconductor device contains a thyristor with electrostatic control (TEU), a control n-channel MOS transistor that controls the key element and the inverse diode. The specified technical result is achieved by the fact that the anode of the reverse diode is connected to the source of the TEU. 2 ill.

Description

Предложение относится к области полупроводникового приборостроения, в частности к конструированию силовых полупроводниковых ключей и силовых интегральных схем, сочетающих преимущества полевого управления и биполярного механизма переноса тока и может быть использовано в схемах и устройствах энергетической электроники.The proposal relates to the field of semiconductor instrumentation, in particular to the design of power semiconductor switches and power integrated circuits that combine the advantages of field control and a bipolar current transfer mechanism and can be used in circuits and devices of power electronics.

Известно силовое полупроводниковое устройство, выполненное по схеме «каскодного» ключа, в котором высоковольтный тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ) коммутируется низковольтным МОП-транзистором (пат. США 4663547, 05.05.1987, пат. США 5323028 A, 21.06.1994, пат. РФ 2268545 C2, 20.01.2006).A power semiconductor device is known made according to the “cascode” key scheme, in which a high-voltage thyristor with electrostatic control (TEU) is switched by a low-voltage MOS transistor (US Pat. No. 4,663,547, 05/05/1987, US Pat. No. 5,323,028 A, 06/21/1994, US Pat. RF 2268545 C2, 01.20.2006).

Недостатком данного устройства является то, что оно является однонаправленным по току и не способно коммутировать ток нагрузки в обратном направлении. При этом отсутствует возможность разряда выходной емкости устройства, а энергия, запасенная в данной емкости, в каждом из тактов коммутации рассеивается в выходной цепи устройства, что приводит к тепловому перегреву элементов устройства.The disadvantage of this device is that it is unidirectional in current and is not able to switch the load current in the opposite direction. At the same time, there is no possibility of discharging the output capacity of the device, and the energy stored in this capacity in each switching cycle is dissipated in the output circuit of the device, which leads to thermal overheating of the elements of the device.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является силовое полупроводниковое устройство, включающее тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, регулирующий ключевой элемент и обратный диод, при этом сток ТЭУ и катод обратного диода подключены к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, регулирующий ключевой элемент включен между затвором ТЭУ и истоком управляющего МОП-транзистора, а анод обратного диода подключен ко второму силовому выводу (пат. США 4945266, 31.07.1990).The closest in technical essence to the claimed solution is a power semiconductor device, including a thyristor with electrostatic control (TEU), a control n-channel MOS transistor containing each source, drain and gate, regulating the key element and the inverse diode, while the drain of the TEU and the cathode of the reverse diode is connected to the first power output, the source of the TEU is connected to the drain of the control MOS transistor, while the source of the control MOS transistor is connected to the second power output, and the gate of the control MOS ranzistora connected to the third control terminal, a key regulatory element is connected between the gate and source of the driving TEU MOS transistor and the reverse diode anode connected to the second power terminal (Pat. US 4945266, 07.31.1990).

За счет обратного диода, подключенного между первым и вторым силовым выводом, устройство является двунаправленным по току и обеспечивает коммутацию прямого и обратного тока нагрузки. С помощью обратного тока нагрузки в устройстве происходит разряд выходной емкости устройства, что позволяет применять данное устройство в схемах с «мягкой» коммутацией и обеспечивать снижение энергии динамических потерь. Недостатком данного решения является то, что относительно большая входная емкость затвор - исток ТЭУ не может быть разряжена обратным током нагрузки, и в каждом такте коммутации энергия накопленная, в данной емкости рассеивается в канале управляющего МОП-транзистора, что ведет к его дополнительному перегреву.Due to the reverse diode connected between the first and second power output, the device is bi-directional in current and provides switching of the forward and reverse current of the load. Using the reverse load current in the device, the output capacitance of the device is discharged, which makes it possible to use this device in “soft” switching circuits and to provide dynamic energy loss reduction. The disadvantage of this solution is that the relatively large input gate-source capacitance of the TEU cannot be discharged by the reverse load current, and the energy stored in each switching cycle is dissipated in the channel of the control MOS transistor, which leads to its additional overheating.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности работы устройства, а также снижение энергии динамических потерь в элементах устройства за счет предварительного разряда входной емкости затвор - исток ТЭУ обратным током нагрузки.The technical result, to which the proposed technical solution is directed, is to increase the reliability of the device, as well as to reduce the energy of dynamic losses in the elements of the device due to the preliminary discharge of the input capacitance of the gate - source of the TEU by the reverse current of the load.

Технический результат достигается тем, что в силовом полупроводниковом устройстве, включающем тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, регулирующий ключевой элемент и обратный диод, при этом сток ТЭУ и катод обратного диода подключены к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, регулирующий ключевой элемент включен между затвором ТЭУ и истоком управляющего МОП-транзистора, анод обратного диода подключен к истоку ТЭУ.The technical result is achieved by the fact that in a power semiconductor device including a thyristor with electrostatic control (TEU), a control n-channel MOS transistor containing each source, drain and gate, regulating a key element and a reverse diode, while the drain of a TEU and a reverse cathode the diode is connected to the first power output, the source of the TEU is connected to the drain of the control MOS transistor, while the source of the control MOS transistor is connected to the second power output, and the gate of the control MOS transistor the third control terminal, the regulatory key element is connected between the gate of the TEU and the source of the control MOS transistor, the anode of the reverse diode is connected to the source of the TEU.

Сущность предложенного решения поясняется чертежами. На Фиг. 1. представлена схема силового полупроводникового устройства. На Фиг. 2. представлена схема силового полупроводникового устройства, на которой показаны паразитные элементы устройства: входная емкость затвор-исток ТЭУ, выходная емкость сток и исток устройства и внутренний встречно -параллельный диод управляющего МОП-транзистора.The essence of the proposed solution is illustrated by drawings. In FIG. 1. presents a diagram of a power semiconductor device. In FIG. 2. A diagram of a power semiconductor device is presented, which shows the parasitic elements of the device: the input capacitance of the gate-source of the TEU, the output capacitance of the drain and source of the device and the internal counter-parallel diode of the control MOS transistor.

Силовое полупроводниковое устройство содержит высоковольтный тиристор 1 с электростатическим управлением (ТЭУ), сток 2 которого вместе с катодом обратного диода 3 подключены к первому силовому выводу “C” (сток устройства), исток 4 ТЭУ 1 соединен со стоком 5 управляющего МОП-транзистора 6 при этом исток 7 управляющего МОП-транзистора 6 подключен ко второму силовому выводу “И” (исток устройства), а затвор 8 управляющего МОП-транзистора 6 подключен к третьему управляющему выводу “3” (затвор устройства), регулирующий ключевой элемент 9 включен между затвором 10 ТЭУ 1 и истоком 7 управляющего МОП-транзистора 6, а анод обратного диода 3 подключен к истоку 4 ТЭУ 1. Как показано на Фиг.2 между затвором 10 и истоком 4 подключена входная емкость 11 ТЭУ 1, между первым силовым выводом “C” и вторым силовым выводом "И" подключена выходная емкость 12 устройства, а между стоком 5 и истоком 7 управляющего МОП-транзистора 6 подключен его внутренний встречно - параллельный диод 13.The power semiconductor device contains a high-voltage thyristor 1 with electrostatic control (TEU), the drain 2 of which, together with the cathode of the reverse diode 3, is connected to the first power terminal “C” (drain of the device), the source 4 of the TEU 1 is connected to the drain 5 of the control MOS transistor 6 at this source 7 of the control MOS transistor 6 is connected to the second power terminal “And” (the source of the device), and the gate 8 of the control MOS transistor 6 is connected to the third control terminal “3” (the gate of the device), the regulating key element 9 is turned on I wait for the gate 10 of the TEU 1 and the source 7 of the control MOS transistor 6, and the anode of the return diode 3 is connected to the source 4 of the TEU 1. As shown in figure 2, between the gate 10 and the source 4, the input capacitance 11 of the TEU 1 is connected, between the first power output “ C ”and the second power output“ AND ”the output capacitance 12 of the device is connected, and between its drain 5 and the source 7 of the MOSFET 6 it is connected its internal counter-parallel diode 13.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает коммутацию тока и регулирование мощности в нагрузке при положительном потенциале на первом силовом выводе “С” относительно второго силового вывода “И”, т.е. при условии:The device is an asymmetric key and provides current switching and power regulation in the load with a positive potential at the first power output “C” relative to the second power output “And”, i.e. provided:

где U_СИ - выходное напряжение устройства между выводами “С” и “И”.where U _SI is the output voltage of the device between the terminals “C” and “AND”.

Блокированное состояние ключа реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе “З”, соединенном с затвором 8 управляющего МОП-транзистора 6.The locked state of the key is realized when the control signal is zero at the third control terminal “Z” connected to the gate 8 of the control MOS transistor 6.

Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому ключевому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке, символом Е. При закрытом ключевом устройстве:Let us designate the external voltage applied to the claimed key device and the load connected in series with it, the symbol E. When the key device is closed:

где U_2-4 - напряжение сток 2 - исток 4 ТЭУ 1.where U _2-4 - voltage drain 2 - source 4 TEU 1.

U_5-7 - напряжение сток 5 - исток 7 управляющего МОП-транзистора 6.U _5-7 - voltage drain 5 - source 7 of the control MOS transistor 6.

Обозначим коэффициент блокирования ТЭУ 1 символом µ. Тогда напряжение сток 5 - исток 7 управляющего МОП-транзистора 6 можно записать как:Denote the blocking coefficient of TEU 1 by μ. Then the voltage drain 5 - source 7 of the control MOS transistor 6 can be written as:

I

где U_10-4 - напряжение затвор 10 - исток 4 ТЭУ 1.where U _10-4 - voltage gate 10 - source 4 TEU 1.

U₀ - напряжение на регулирующем ключевом элементе 9.U ₀ - voltage on the regulatory key element 9.

Напряжение U₀ равно пороговому напряжению регулирующего ключевого элемента 9.The voltage U ₀ is equal to the threshold voltage of the regulatory key element 9.

В известных аналогах (пат. США 5323028 A, 21.06.1994, пат. РФ 2268545 C2, 20.01.2006, пат. РФ 74253 U1, 20.06.2008) регулирующий ключевой элемент 9 имеет несколько разновидностей. Однако во всех случаях он представляет собой двунаправленный по току ключ, пороговое напряжение которого составляет величину нескольких единиц вольт.In the known analogues (US Pat. No. 5,323,028 A, 06/21/1994, US Pat. RF 2268545 C2, 01/20/2006, US Pat. RF 74,253 U1, 06/20/2008), the regulatory key element 9 has several varieties. However, in all cases, it is a bi-directional current switch whose threshold voltage is several volts.

Поскольку коэффициент блокирования ТЭУ 1 составляет величину равную десяткам и даже сотням единиц, а пороговое напряжение регулирующего ключевого элемента 9 не превышает единиц вольт, в блокированном состоянии устройства практически все внешнее напряжение Е приложено к высоковольтному ТЭУ 1.Since the blocking coefficient of TEU 1 is equal to tens or even hundreds of units, and the threshold voltage of the regulatory key element 9 does not exceed units of volts, in the locked state of the device, almost all external voltage E is applied to the high voltage TEU 1.

Таким образом, при блокированном состоянии рассматриваемого устройства его выходная емкость 12 будет заряжена до величины внешнего напряжения E. При этом входная емкость 11 ТЭУ 1, расположенная между затвором 10 и истоком 4 ТЭУ 1 будет заряжена до напряжения E/µ.Thus, when the device under consideration is in a locked state, its output capacitance 12 will be charged to the value of the external voltage E. In this case, the input capacitance 11 of the TEU 1 located between the gate 10 and the source 4 of the TEU 1 will be charged to the voltage E / µ.

На практике обратный ток в рассматриваемом устройстве, как правило, реализуется в двух случаях: либо это обратный ток нагрузки, когда устройство используется в качестве противофазного ключа в каждой из фаз инвертора напряжения, либо это искусственно созданный обратный ток в схемах с «мягкой» коммутацией, предназначенный для принудительного разряда выходной емкости 12 устройства.In practice, the reverse current in the device under consideration is usually realized in two cases: either it is the reverse load current, when the device is used as an antiphase switch in each phase of the voltage inverter, or it is an artificially created reverse current in “soft” switching circuits, intended for the forced discharge of the output capacity 12 of the device.

Если обратный диод 3 подключить между первым “С” и вторым силовым выводом “И”, как это реализовано в схеме прототипа, обратный ток будет обеспечивать разряд выходной емкости 12 устройства, а затем переходить в обратный диод 3. Однако при этом не происходит разряда относительно большой входной емкости 11 ТЭУ 1. И в каждом такте коммутации энергия накопленная, в данной емкости рассеивается в канале управляющего МОП-транзистора 6 при его отпирании, что ведет к дополнительному перегреву структуры транзистора 6.If the reverse diode 3 is connected between the first “C” and the second power terminal “And”, as is implemented in the prototype circuit, the reverse current will discharge the output capacitance 12 of the device, and then transfer to the reverse diode 3. However, this does not discharge relatively large input capacitance 11 of TEU 1. And in each switching cycle, the energy accumulated in this capacitance is dissipated in the channel of the control MOS transistor 6 when it is unlocked, which leads to additional overheating of the structure of transistor 6.

Проведем оценку мощности дополнительных потерь от рассеиваемой энергии в канале управляющего МОП-транзистора 6. При внешнем напряжении E=1000 В и коэффициенте блокирования µ=20, напряжение на входной емкости 11 ТЭУ 1 будет составлять величину 50 В. Величина входной емкости ТЭУ 1 зависит от максимального тока прибора и для мощных тиристоров составляет величину 10-100 нФ. Для типового значения входной емкости 11 ТЭУ 1 величиной 50 нФ, запасенная в ней энергия будет равна 62,5 мкДж. При частоте коммутации устройства 50 кГц в канале управляющего МОП-транзистора 6 будет рассеиваться дополнительная мощность более 3 Вт.Let us evaluate the power of additional losses from the dissipated energy in the channel of the control MOS transistor 6. With an external voltage E = 1000 V and a blocking coefficient µ = 20, the voltage at the input capacitance 11 of the TEU 1 will be 50 V. The input capacitance of the TEU 1 depends on the maximum current of the device and for high-power thyristors is 10-100 nF. For a typical input capacitance value of 11 TEU 1 of 50 nF, the energy stored in it will be 62.5 μJ. When the switching frequency of the device is 50 kHz, an additional power of more than 3 W will be dissipated in the channel of the control MOS transistor 6.

При подключении анода обратного диода 3 к истоку 4 ТЭУ 1, обратный ток нагрузки сначала начинает разряжать выходную емкость 12 устройства. Когда напряжение на выходной емкости 12 уменьшается до величины E/µ, равного напряжению на входной емкости 11 ТЭУ 1 происходит отпирание обратного диода 3. Поскольку регулирующий ключевой элемент 9 является двунаправленным по току, по цепи регулирующий элемент 9 - обратный диод 3 в предложенном устройстве с помощью обратного тока начинается также разряд входной емкости 11 ТЭУ 1. Когда напряжение на выходной емкости 12 устройства и входной емкости 11 ТЭУ 1 снижается до нуля, отпирается внутренний встречно-параллельный диод 13 управляющего МОП-транзистора 6, и обратный ток начинает замыкаться по последовательной цепи открытых диодов 13 и 3.When the anode of the reverse diode 3 is connected to the source 4 of the TEU 1, the reverse load current first starts to discharge the output capacitance 12 of the device. When the voltage at the output capacitance 12 decreases to a value of E / µ equal to the voltage at the input capacitance 11 of the TEU 1, the reverse diode 3 is unlocked. Since the control key element 9 is bi-directional in current, the control element 9 is a reverse diode 3 in the proposed device with Using the reverse current, the discharge of the input capacitance 11 of the TEU 1 also starts. When the voltage at the output capacitance 12 of the device and the input capacitance 11 of the TEU 1 decreases to zero, the internal counter-parallel diode 13 of the MOSFET is unlocked Stora 6, and a reverse current starts to be closed by a series circuit of diodes 13 and open 3.

Пример конкретного исполнения. Устройство представляет собой силовую гибридную схему, выполненную в соответствии с Фиг.1, в которой все элементы в виде отдельных кристаллов напаяны на общую изолирующую подложку, выполненную из алюмооксидной керамики, покрытой медной металлизацией. При этом используется высоковольтный ТЭУ 1 с предельно допустимым напряжением сток 2 - исток 4 величиной 1200 В, коэффициентом блокирования 20 единиц, максимально допустимым током 100 А. Размер кристалла ТЭУ 1 составляет 7×7 мм. В качестве управляющего МОП-транзистора 6 и регулирующего элемента 9 использованы кристаллы n-канальных МОП-транзисторов, имеющие максимально допустимое напряжение сток-исток 75 В, пороговое напряжение 3,0 В, максимально допустимый ток стока 100 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 3,0 мОм. В качестве обратного диода 3 используется кристалл импульсного диода с предельно допустимым напряжением 1200 В, максимальным током 100А и временем обратного восстановления 200 не. Все электрические соединения элементов выполнены ультразвуковой сваркой при помощи алюминиевой проволоки диаметром 300 мкм, присоединенной к контактным площадкам соответствующих элементов.An example of a specific implementation. The device is a hybrid power circuit, made in accordance with Figure 1, in which all elements in the form of individual crystals are soldered to a common insulating substrate made of alumina ceramic coated with copper metallization. In this case, a high-voltage TEU 1 with a maximum allowable voltage of drain 2 - source 4 of 1200 V, a blocking coefficient of 20 units, a maximum allowable current of 100 A is used. The crystal size of TEU 1 is 7 × 7 mm. As the control MOS transistor 6 and the regulating element 9, we used crystals of n-channel MOS transistors having a maximum allowable drain-source voltage of 75 V, a threshold voltage of 3.0 V, a maximum allowable drain current of 100 A, and drain-source resistance in open state no more than 3.0 mOhm. As the reverse diode 3, a pulse diode crystal with a maximum permissible voltage of 1200 V, a maximum current of 100 A, and a reverse recovery time of 200 ns is used. All electrical connections of the elements are made by ultrasonic welding using an aluminum wire with a diameter of 300 microns attached to the contact pads of the corresponding elements.

Claims

A power semiconductor device including an electrostatically controlled thyristor (TEU), an n-channel MOS transistor, each source, drain and gate, a key element and a reverse diode, each with a TEU drain and a reverse diode cathode connected to the first power terminal, the source of the TEU is connected to the drain of the control MOS transistor, while the source of the control MOS transistor is connected to the second power output, and the gate of the control MOS transistor is connected to the third control output, regulating to the beam element is connected between the gate of the TEU and the source of the control MOS transistor, characterized in that the anode of the reverse diode is connected to the source of the TEU.