RU2712098C1 - Формирователь мощных наносекундных импульсов с лавинообразным переключением - Google Patents
Формирователь мощных наносекундных импульсов с лавинообразным переключением Download PDFInfo
- Publication number
- RU2712098C1 RU2712098C1 RU2019113841A RU2019113841A RU2712098C1 RU 2712098 C1 RU2712098 C1 RU 2712098C1 RU 2019113841 A RU2019113841 A RU 2019113841A RU 2019113841 A RU2019113841 A RU 2019113841A RU 2712098 C1 RU2712098 C1 RU 2712098C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gate
- source
- drain
- transistor
- load
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
- H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
- H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Abstract
Предлагаемое изобретение относится к импульсной технике и приборостроению. Техническим результатом изобретения является уменьшение потерь на переключение силовых транзисторов с изолированным затвором, а также повышение качества импульсов. Для этого предложен формирователь мощных прямоугольных импульсов регулируемой длительности, который содержит высоковольтный n-канальный транзистор с изолированным затвором, сток которого через нагрузку соединен с плюсом источника питания, затвор соединен с источником напряжения смещения, исток соединен с истоком р-канального МОП-транзистора, сток которого соединен с общим проводом, а затвор соединен через резистор с анодом стабилитрона и непосредственно с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен со стоком n-канального транзистора и нагрузкой. 2 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к импульсной технике и приборостроению.
В ряде направлений науки и техники применяются импульсы высоких напряжений и токов с предельно возможными временами нарастания и спада. Это, например, лазерная техника, георадары, экспериментальная физика и пр.
Лавинные транзисторы позволили создавать простые и недорогие схемы импульсных генераторов наносекундного диапазона. Однако им свойственен ограниченный срок службы, зависящий от мощности производимых импульсов. Вторым существенным недостатком является сложность и ограниченность возможности регулировать длительность импульсов. Поэтому существует потребность в приборах, конкурирующих с лавинными транзисторами по скорости, и превосходящими их по мощности и простоте управления. Силовые транзисторы с изолированным затвором (ТИЗ): МОП-транзисторы (MOSFET) или биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT) обладают большой нагрузочной способностью и низкой стоимостью. Последние годы применение каскодной схемы включения этих транзисторов позволило почти полностью устранить эффект Миллера и таким образом повысить экономичность и быстродействие.
Из уровня техники известен импульсный источник питания, в котором применен каскод с высоковольтным ТИЗ в схеме с общим затвором, управляемый с истока низковольтным MOSFET, включенным по схеме с общим истоком (US 7345894, МПК Н02М 3/335, опубликовано 18.03.2008 г). При выключении каскода с помощью специального диода происходит утилизация паразитных зарядов для питания драйвера затвора MOSFET. Такой каскод обладает достаточной мощностью, но не удовлетворяет указанным выше требованиям по скорости переключения.
В ряде изобретений, например (US 9479159, МПК H03K 17/687, Н02М 1/088, опубликовано 25.10.2016 г) рассматривается применение так называемого дифференциального транзистора для защиты высоковольтного ТИЗ силового ключа от выбросов напряжения. Такой дифференциальный транзистор состоит из двух ТИЗ, соединенных истоками, и как составной транзистор имеет два затвора, сток и исток. Такое включение не обладает свойствами каскода и не избавляет от эффекта Миллера.
Предлагаемое изобретение направлено на создание формирователей импульсов повышенной мощности на транзисторах с изолированным затвором, позволяющих производить импульсы разной длительности с короткими фронтами.
Техническим результатом изобретения является уменьшение потерь на переключение силовых транзисторов с изолированным затвором, а также повышение качества импульсов.
Технический результат изобретения достигается формирователем мощных прямоугольных импульсов регулируемой длительности, содержащим высоковольтный n-канальный транзистор с изолированным затвором, сток которого через нагрузку соединен с плюсом источника питания, затвор соединен с источником напряжения смещения, исток соединен с истоком р-канального МОП-транзистора, сток которого соединен с общим проводом, а затвор соединен через резистор с анодом стабилитрона и непосредственно с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен со стоком n-канального транзистора и нагрузкой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана электрическая схема формирователя импульсов на высоковольтном n-канальном транзисторе с изолированным затвором на примере MOSFET; на фиг. 2 представлена электрическая схема формирователя импульсов на высоковольтном n-канальном транзисторе с изолированным затвором на примере БТИЗ (IGBT). На чертежах нагрузка ключа обозначена Z, так как ее импеданс может быть достаточно сложным.
Схема фиг. 1 содержит высоковольтный n-канальный транзистор с изолированным затвором 1, в данном случае MOSFET, затвор которого соединен с источником напряжения смещения, исток соединен с истоком р-канального МОП-транзистора 3, сток которого соединен с общим проводом, затвор соединен с резистором 4 и через конденсатор 5 со стоком n-канального транзистора. В полученной схеме соединение транзисторов 1 и 3 можно рассматривать, как каскод, образованный истоковым повторителем на входе и усилителем с общим затвором на выходе, благодаря чему низкое входное сопротивление усилителя с общим затвором является нагрузкой для низкого выходного сопротивления истокового повторителя. Это обстоятельство позволяет не вводить в соединение истоков дополнительные элементы защиты от высокочастотных переходных процессов, возникающих при быстрых переключениях, для которых предназначен этот каскод.
При включении на резистор 4 от управляющего устройства (задающего генератора, ЗГ) подается напряжение, близкое к напряжению смещения на затворе транзистора 1, которое является закрывающим для всего каскода. При этом на сток транзистора 1 через нагрузку 2 поступает положительный потенциал источника питания.
Управляющий импульс ЗГ достаточной амплитуды поступает на затвор МОП-транзистора 3 через резистор 4 в открывающем направлении, то есть отрицательной полярности, заряжая затвор до напряжения порога открывания, после чего ток транзистора 3 начинает с истока транзистора 1 заряжать его затвор. После достижения порога открывания транзистора 1 происходит лавинообразное включение каскода. Причиной этого являются две петли положительной обратной связи (ПОС), первая из которых возникает через емкость сток-исток транзистора 1 с заземленным по переменному току затвором после того, как заряд затвора достигает порога открывания. Вторая петля ПОС образуется одновременно конденсатором 5 со стока транзистора 1 на затвор транзистора 3.
В первой петле ПОС действует разрядный ток емкости сток-исток, равный где Uds - разность потенциалов сток-исток транзистора 1.
Этот ток на участке затвор-исток транзистора 1 складывается с током открывающегося транзистора 3. Таким образом, в процессе формирования фронта до полного открытия МОП-транзистора 1 увеличивающийся (вследствие нелинейности емкости сток-исток Cds) ток разряда этой емкости ускоряет полный заряд затвора транзистора 1. Одновременно происходит увеличение тока нагрузки.
Параллельно во второй петле ПОС действует разрядный ток постоянной емкости конденсатора 5. Он также пропорционален скорости падения потенциала стока транзистора 1: и может многократно превосходить ток импульса от ЗГ. Сигнал с выхода ЗГ поступает на затвор через резистор 4, который является дополнением к выходному сопротивлению ЗГ и служит для защиты выхода ЗГ от токов второй петли ПОС через конденсатор 5, а также предотвращает шунтирование этих токов выходной проводимостью ЗГ. Грубый расчет предполагает, что за время полного включения силового ключа 1 затвору МОП-транзистора 3 через конденсатор 5 должен быть передан заряд, предусмотренный производителем для его полного включения. Это дает минимальную величину емкости конденсатора 5: C=Q/ΔU, где Q -результирующий заряд емкостей МОП-транзистора 3 для затвора в этой схеме, а ΔU - перепад потенциала стока. Например, если положить Q равным полному заряду затвора МОП-транзистора 3, что, как показывает практика, близко к истине, то для транзистора IRF9Z34N и ΔU=600 В это дает 7.9 нКул/600 В=13.17пФ. Соответственно, ток через конденсатор 5 при включении зависит от скоростных свойств транзисторов 1 и 3. Например, для пары IRF9Z34N - IRG4BC15UD PSpice-моделирование дало 2нС и 4А.
Эти величины показывают, что проводники каскода, участвующие в процессах переключений, для уменьшения индуктивности должны иметь минимальную длину. Идеально это требование может быть выполнено только в интегральном исполнении транзисторов каскода и конденсатора 5. Для некоторых типов высоковольтных транзисторов такое исполнение каскода оказывается предпочтительным из-за гигагерцовой скорости переключения.
После окончания открывающего импульса от ЗГ происходит обратный процесс закрывания транзисторов каскода, который происходит также ускоренно вследствие действия ПОС, однако с отличием. Первая петля ПОС особенно сильна в начале этого процесса из-за большой величины емкости сток-исток при малом потенциале стока. Поэтому каскод почти полностью закрывается в самом начале этого процесса, после чего начинается сравнительно медленный процесс заряда емкостей конденсатора 5 и емкости сток-исток высоковольтного транзистора через сопротивление нагрузки. В этом процессе канал МОП-транзистора не участвует, так как сопротивление канала максимально, и выделение тепла не происходит. Поэтому формирование заднего фронта в отличие от переднего происходит пассивно, то-есть под действием напряжения питания без участия активных элементов, в данном случае транзисторов каскода, которые уже закрылись. Таким образом, крутизна заднего фронта определяется свойствами RC-цепи, то-есть импеданса нагрузки и суммарной емкости конденсатора 5 и стока высоковольтного транзистора.
Длина выходного импульса ограничена снизу задержками включения-выключения транзисторов каскода и в небольшой степени качествами импульса от ЗГ. Ограничение этой длины сверху зависит от рассеивания тепла на транзисторах каскода в открытом состоянии, то-есть от токовой нагрузки каскода.
В схеме фиг. 2 высоковольтный транзистор 1 заменен на IGBT. Описание работы этого каскода аналогичное и особенностей не имеет. В обеих схемах присутствие стабилитрона 6 демонстрирует способность каскода работать с традиционными драйверами затвора, выдающими однополярные импульсы. При этом емкость конденсатора 5 выбирается достаточной величины для того, чтобы энергии ее заряда было достаточно для полного открывания транзистора 3. Как показывает компьютерное моделирование, увеличение требуется незначительное. Запертый в обратном направлении стабилитрон препятствует саморазряду затвора, пока драйвер выдает низкий потенциал.
Сокращение длины фронтов переключения уменьшает термовыделение в ТИЗ и позволяет увеличить частоту переключения.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет за счет лавинообразного переключения каскода получать мощные импульсы с коротким передним фронтом, что расширяет функциональные возможности формирователей импульсов.
Claims (1)
- Формирователь мощных прямоугольных импульсов регулируемой длительности, содержащий высоковольтный n-канальный транзистор с изолированным затвором, сток которого через нагрузку соединен с плюсом источника питания, затвор соединен с источником напряжения смещения, исток соединен с истоком р-канального МОП-транзистора, сток которого соединен с общим проводом, а затвор соединен через резистор с анодом стабилитрона и непосредственно с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен со стоком n-канального транзистора и нагрузкой.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113841A RU2712098C1 (ru) | 2019-05-06 | 2019-05-06 | Формирователь мощных наносекундных импульсов с лавинообразным переключением |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113841A RU2712098C1 (ru) | 2019-05-06 | 2019-05-06 | Формирователь мощных наносекундных импульсов с лавинообразным переключением |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2712098C1 true RU2712098C1 (ru) | 2020-01-24 |
Family
ID=69184201
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019113841A RU2712098C1 (ru) | 2019-05-06 | 2019-05-06 | Формирователь мощных наносекундных импульсов с лавинообразным переключением |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2712098C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU476667A1 (ru) * | 1973-07-06 | 1975-07-05 | Предприятие П/Я В-8616 | Генератор импульсов |
RU2138905C1 (ru) * | 1996-12-25 | 1999-09-27 | ООО НПЦ "Энергосервис" | Генератор для формирования мощных импульсов |
US7345894B2 (en) * | 2005-09-27 | 2008-03-18 | Carl Sawtell | Cascode switch power supply |
RU2557475C1 (ru) * | 2014-06-03 | 2015-07-20 | Евгений Леонидович Пущин | Генератор импульсов на лавинном транзисторе с повышенными кпд и частотой следования импульсов (варианты) |
-
2019
- 2019-05-06 RU RU2019113841A patent/RU2712098C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU476667A1 (ru) * | 1973-07-06 | 1975-07-05 | Предприятие П/Я В-8616 | Генератор импульсов |
RU2138905C1 (ru) * | 1996-12-25 | 1999-09-27 | ООО НПЦ "Энергосервис" | Генератор для формирования мощных импульсов |
US7345894B2 (en) * | 2005-09-27 | 2008-03-18 | Carl Sawtell | Cascode switch power supply |
RU2557475C1 (ru) * | 2014-06-03 | 2015-07-20 | Евгений Леонидович Пущин | Генератор импульсов на лавинном транзисторе с повышенными кпд и частотой следования импульсов (варианты) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI637380B (zh) | 一種實現閘極驅動電路的系統和方法 | |
Liu et al. | Design of 370-ps delay floating-voltage level shifters with 30-V/ns power supply slew tolerance | |
US20140063593A1 (en) | Capacitor discharge pulse drive circuit with fast recovery | |
US8461881B2 (en) | High power, high speed solid state relay | |
RU2580787C1 (ru) | Генератор мощных наносекундных импульсов (варианты) | |
Lutz et al. | A 50V, 1.45 ns, 4.1 pJ high-speed low-power level shifter for high-voltage DCDC converters | |
US11005472B2 (en) | Method for operating a transistor device and electronic-circuit with a transistor device | |
Mo et al. | A low surge voltage and fast speed gate driver for SiC MOSFET with switched capacitor circuit | |
RU2712098C1 (ru) | Формирователь мощных наносекундных импульсов с лавинообразным переключением | |
JP3055904B2 (ja) | 高電圧パルス発生装置 | |
Baker et al. | Nanosecond switching using power MOSFETs | |
RU2713559C9 (ru) | Способ быстрого включения силового транзистора с изолированным затвором и устройства с его использованием | |
CN113261201A (zh) | 用于优化共栅共源放大器关闭的装置 | |
CN115167598B (zh) | 电源电压选择电路 | |
US9312848B2 (en) | Glitch suppression in an amplifier | |
US20170244400A1 (en) | Pulse modulator | |
CN105141113A (zh) | 一种用于igbt驱动芯片的驱动电路 | |
Chang et al. | A GaN–Si hybrid integrated driver for narrow-pulse and high-current LiDAR applications | |
JP7471057B2 (ja) | ゲート駆動回路 | |
KR102092964B1 (ko) | 슈트-스루 전류 방지 기능을 갖는 게이트 드라이버 | |
CN108776328B (zh) | 一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置及方法 | |
CN111092614A (zh) | 一种纯cmos超低功耗上电复位电路 | |
Chen et al. | Saturation characteristics analysis of Marx circuits based on avalanche transistors | |
RU74533U1 (ru) | Полупроводниковое устройство ключевого типа | |
Zhou et al. | A gate driver with a negative turn off bias voltage for GaN HEMTs |