RU74253U1 - KEY SEMICONDUCTOR DEVICE - Google Patents

KEY SEMICONDUCTOR DEVICE Download PDF

Info

Publication number
RU74253U1
RU74253U1 RU2008110551/22U RU2008110551U RU74253U1 RU 74253 U1 RU74253 U1 RU 74253U1 RU 2008110551/22 U RU2008110551/22 U RU 2008110551/22U RU 2008110551 U RU2008110551 U RU 2008110551U RU 74253 U1 RU74253 U1 RU 74253U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mos transistor
teu
gate
source
voltage
Prior art date
Application number
RU2008110551/22U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Анатольевич Воронин
Николай Павлович Щепкин
Игорь Павлович Воронин
Original Assignee
Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") filed Critical Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль")
Priority to RU2008110551/22U priority Critical patent/RU74253U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU74253U1 publication Critical patent/RU74253U1/en

Links

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Полезная модель направлена на улучшение динамических параметров переключения устройства. Указанный технический результат достигается тем, что полупроводниковое устройство ключевого типа включает тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и вспомогательный n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, соединенные между собой таким образом, что сток ТЭУ подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, исток которого подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, и связан с истоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, затвор вспомогательного МОП-транзистора соединен с затвором ТЭУ, а в устройство введен диод, анод которого соединен со стоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом катод указанного диода соединен с затвором ТЭУ. 4 илл.The utility model is aimed at improving the dynamic parameters of the switching device. The specified technical result is achieved in that the key-type semiconductor device includes an electrostatic control thyristor (TEU), a control n-channel MOS transistor and an auxiliary n-channel MOS transistor containing each source, drain and gate, interconnected in such a way that the drain of the TEU is connected to the first power output, the source of the TEU is connected to the drain of the control MOS transistor, the source of which is connected to the second power output, which serves as a common bus, and is connected with the source of the auxiliary An OP transistor, wherein the gate of the MOS transistor is connected to the third control terminal, the gate of the auxiliary MOS transistor is connected to the gate of the TEU, and a diode is inserted into the device, the anode of which is connected to the drain of the auxiliary MOS transistor, while the cathode of this diode is connected to shutter TEU. 4 ill.

Description

Предложение относится к области полупроводникового приборостроения, в частности к конструированию мощных ключевых полупроводниковых приборов и силовых интегральных схем, сочетающих преимущества полевого управления и биполярного механизма переноса тока (английское наименование MOS-Controlled Power Switches) и может быть использовано в схемах и устройствах энергетической электроники.The proposal relates to the field of semiconductor instrumentation, in particular, to the design of powerful key semiconductor devices and power integrated circuits that combine the advantages of field control and a bipolar current transfer mechanism (the English name is MOS-Controlled Power Switches) and can be used in circuits and devices of power electronics.

Известны полупроводниковые ключи, в которых высоковольтный тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ) коммутируется включенным последовательно с ним низковольтным МОП-транзистором (каскадная схема ключа) (cм. US5323028 А, 21.06.1994).Semiconductor switches are known in which a high-voltage thyristor with electrostatic control (TEU) is switched by a low-voltage MOS transistor connected in series with it (cascade key circuit) (see US5323028 A, June 21, 1994).

Недостатком данных приборов является относительно медленное включение, обусловленное неполным разрядом емкости затвор-исток ТЭУ через открытый МОП-транзистор и диод Зенера, подключенный между затвором ТЭУ и истоком МОП-транзистора.The disadvantage of these devices is the relatively slow inclusion due to the incomplete discharge of the gate-source capacitance of the TEU through an open MOS transistor and a Zener diode connected between the gate of the TEU and the source of the MOS transistor.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является полупроводниковое ключевое устройство, включающее тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и дополнительный n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, соединенные между собой таким образом, что сток ТЭУ подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, исток которого подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, и связан с истоком дополнительного МОП-транзистора, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу(см. RU 2268545 С2, 20.01.2006).The closest in technical essence to the claimed solution is a semiconductor key device, including a thyristor with electrostatic control (TEU), a control n-channel MOS transistor and an additional n-channel MOS transistor containing each source, drain and gate, interconnected by such so that the drain of the TEU is connected to the first power output, the source of the TEU is connected to the drain of the control MOS transistor, the source of which is connected to the second power output, which serves as a common bus, and is connected to the source MOS transistor, while the gate of the control MOS transistor is connected to the third control terminal (see RU 2268545 C2, 01.20.2006).

В указанном устройстве сток дополнительного МОП-транзистора соединен с затвором ТЭУ, а затвор дополнительного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора. При этом происходит противофазное переключение управляющего и дополнительного МОП-транзисторов. Емкость затвор-исток ТЭУ в переходном процессе включения данного устройства разряжается через открытый управляющий МОП-транзистор и внутренний диод в структуре дополнительного МОП-транзистора. При этом разряд указанной емкости также является неполным, и остаточное отрицательное напряжение затвор-исток ТЭУ равно прямому напряжению на внутреннем диоде плюс падение напряжения на открытом управляющем МОП-транзисторе. В свою очередь это приводит к более медленному включению полупроводникового устройства, причем фронт нарастания выходного тока на уровне десятков ампер составляет несколько сотен наносекунд. Проблема In the specified device, the drain of the additional MOS transistor is connected to the gate of the TEU, and the gate of the additional MOS transistor is connected to the drain of the control MOS transistor. In this case, the antiphase switching of the control and additional MOS transistors occurs. The gate-to-source capacitance of a TEU in the transition process of turning on this device is discharged through an open MOSFET and an internal diode in the structure of an additional MOSFET. In this case, the discharge of the indicated capacitance is also incomplete, and the residual negative gate-source voltage of the TEU is equal to the direct voltage on the internal diode plus the voltage drop on the open control MOS transistor. In turn, this leads to a slower switching on of the semiconductor device, and the front of the rise in the output current at the level of tens of amperes is several hundred nanoseconds. Problem

становится более значимой при повышении класса полупроводникового устройства по напряжению, т.к. при этом значительно увеличивается удельное сопротивление базового слоя тиристора с электростатическим управлением. Для быстрого включения требуется не просто разряд емкости затвор-исток ТЭУ, но и дополнительный форсирующий заряд в его входную цепь для эффективной начальной модуляции указанного базового слоя. По этой причине в известном устройстве предлагается ввести форсирующую цепочку, причем конденсатор данной цепочки включается между затворами ТЭУ и управляющего МОП-транзистора. Однако эффективность указанного решения значительно снижается из-за конечной скорости выключения дополнительного МОП-транзистора, который шунтирует входную цепь ТЭУ как раз на этапе заряда форсирующего конденсатора. Другим недостатком данного решения является то, что форсирующий конденсатор, подключенный подобным образом, оказывается фактически параллельным входной цепи ключа, что значительно увеличивает его входную емкость, ведет к дополнительной перегрузке формирователя импульсов управления, ухудшает динамику переключения.becomes more significant with an increase in the voltage class of a semiconductor device, since this significantly increases the resistivity of the base layer of the thyristor with electrostatic control. For quick switching on, not only a discharge of the gate-source capacitance of a TEU is required, but also an additional boost charge in its input circuit for effective initial modulation of the indicated base layer. For this reason, in the known device it is proposed to introduce a boost chain, and the capacitor of this chain is connected between the gates of the TEU and the control MOS transistor. However, the effectiveness of this solution is significantly reduced due to the final shutdown speed of the additional MOS transistor, which shunts the input circuit of the TEU just at the stage of charging the boost capacitor. Another disadvantage of this solution is that the boost capacitor connected in this way turns out to be practically parallel to the input circuit of the key, which significantly increases its input capacity, leads to additional overload of the control pulse shaper, and worsens the switching dynamics.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в улучшении динамических параметров переключения полупроводникового устройства:The technical result of the proposed device is to improve the dynamic switching parameters of the semiconductor device:

1. Входная емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, заряженная в переходном процессе выключения устройства, в переходном процессе включения устройства разряжается во входную цепь ТЭУ, обеспечивая быстрое его включение и начальную модуляцию базового слоя ТЭУ за счет соединения затвора дополнительного МОП-транзистора с затвором ТЭУ.1. The input gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor, charged during the transition process of turning off the device, is discharged into the input circuit of the TEU in the transition process of turning on the device, ensuring its quick inclusion and the initial modulation of the base layer of the TEU by connecting the gate of the additional MOS transistor to the gate TEU.

2. Входная емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора не увеличивает входную емкость самого устройства.2. The input gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor does not increase the input capacitance of the device itself.

3. Необходимый форсирующий заряд для быстрого включения устройства и модуляции базового слоя ТЭУ накапливается во входной емкости затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора в переходном процессе выключения устройства, за счет введенного в устройство диода, анод которого соединен со стоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом катод диода соединен с затвором ТЭУ.3. The necessary boost charge for quickly turning on the device and modulating the base layer of the TEU is accumulated in the input gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor in the transient process of turning off the device, due to the diode introduced into the device, the anode of which is connected to the drain of the auxiliary MOS transistor, the cathode of the diode is connected to the gate of the TEU.

4. В переходном процессе выключения устройства вспомогательный МОП-транзистор находится в режиме насыщения, при этом обеспечивается минимальная динамическая перегрузка управляющего МОП-транзистора по напряжению за счет фиксации на требуемом уровне данного напряжения введенным в устройство диодом.4. In the process of turning off the device, the auxiliary MOS transistor is in saturation mode, while the minimum dynamic overload of the control MOS transistor is ensured by voltage due to the fixation of the voltage at the required level by the diode introduced into the device.

5. В схеме устройства не используется дополнительный элемент -форсирующий конденсатор, т.к. его роль выполняет входная емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора.5. The device circuit does not use an additional element-boosting capacitor, because its role is played by the input gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor.

Технический результат достигается тем, что в силовом полупроводниковом ключевом устройстве, включающем тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и вспомогательный n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, соединенные между собой таким образом, что сток ТЭУ подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, исток которого подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, и связан с истоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, затвор вспомогательного МОП-транзистора соединен с затвором ТЭУ, в устройство введен диод, анод которого соединен со стоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом катод указанного диода соединен с затвором ТЭУ.The technical result is achieved in that in a power semiconductor key device including a thyristor with electrostatic control (TEU), a control n-channel MOS transistor and an auxiliary n-channel MOS transistor containing each source, drain and gate, interconnected in such a way that the drain of the TEU is connected to the first power output, the source of the TEU is connected to the drain of the control MOS transistor, the source of which is connected to the second power output, which serves as a common bus, and is connected with the source of the auxiliary MOSFET ranzistora, wherein the shutter control MOS transistor is connected to the third control terminal, the gate of the auxiliary MOSFET transistor connected to the gate TEU, a device introduced diode, the anode of which is connected to the drain of the auxiliary MOS transistor, the cathode of said diode connected to the gate TEU.

На Фиг.1 представлено полупроводниковое устройство ключевого типа.Figure 1 presents a semiconductor device of a key type.

На Фиг.2 представлена осциллограмма переключения устройства по току (напряжение затвор-исток устройства и выходной ток стока устройства).Figure 2 presents the oscillogram of the device switching current (gate-source voltage of the device and the output current of the drain of the device).

На Фиг.3 - осциллограмма переключения устройства по напряжению (напряжение сток-исток устройства и напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора).Figure 3 - waveform switching device voltage (voltage drain-source device and voltage drain-source control MOS transistor).

На Фиг.4 - осциллограмма напряжения управления (напряжение затвор-исток устройства и напряжение затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора).Figure 4 is an oscillogram of the control voltage (gate-source voltage of the device and gate-source voltage of the auxiliary MOS transistor).

Полупроводниковое устройство содержит высоковольтный тиристор 1 с электростатическим управлением (ТЭУ), включенный последовательно с ним низковольтный управляющий МОП-транзистор 2, вспомогательный низковольтный МОП-транзистор 3, при этом ТЭУ содержит область истока 4, область стока 5 и затвор 6, управляющий МОП-транзистор содержит область истока 7, область стока 8 и затвор 9, дополнительный МОП-транзистор содержит область истока 10, область стока 11 и затвор 12. Между истоком 10 и стоком 11 вспомогательного МОП-транзистора 3 пунктиром показан его внутренний обратный диод 13.The semiconductor device comprises a high-voltage thyristor 1 with electrostatic control (TEU), a low-voltage control MOS transistor 2 connected in series with it, an auxiliary low-voltage MOS transistor 3, while the TEU contains a source region 4, a drain region 5, and a gate 6, a control MOS transistor contains a source region 7, a drain region 8 and a gate 9, an additional MOS transistor contains a source region 10, a drain region 11 and a gate 12. Between the source 10 and drain 11 of the auxiliary MOS transistor 3, a dotted line shows it Cored oil wheeling diode 13.

ТЭУ, управляющий и дополнительный МОП-транзисторы соединены между собой следующим образом. Сток 5 ТЭУ подключен к первому силовому выводу "С" (сток устройства), исток 4 ТЭУ присоединен к стоку 8 управляющего МОП-транзистора 2, исток 7 которого подключен ко второму силовому выводу "И" (исток устройства), служащему общей шиной, и связан с истоком 10 вспомогательного МОП-транзистора 3, при этом затвор 9 управляющего МОП-транзистора 2 подключен к третьему управляющему выводу "3" (затвор устройства).TEU, control and additional MOS transistors are interconnected as follows. The drain 5 of the TEU is connected to the first power terminal "C" (the drain of the device), the source 4 of the TEU is connected to the drain 8 of the control MOSFET 2, the source 7 of which is connected to the second power terminal "I" (the source of the device), which serves as a common bus, and connected to the source 10 of the auxiliary MOS transistor 3, while the gate 9 of the control MOS transistor 2 is connected to the third control terminal "3" (device shutter).

Затвор 12 вспомогательного МОП-транзистора 3 соединен с затвором 6 ТЭУ, в устройство введен диод 14, анод 15 которого соединен со стоком 11 The gate 12 of the auxiliary MOS transistor 3 is connected to the gate 6 of the TEU, a diode 14 is introduced into the device, the anode 15 of which is connected to the drain 11

вспомогательного МОП-транзистора 3, при этом катод 16 указанного диода 14 соединен с затвором 6 ТЭУ.auxiliary MOS transistor 3, while the cathode 16 of the specified diode 14 is connected to the gate 6 of the TEU.

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

Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает пропускание тока и регулирование мощности в нагрузке при положительном потенциале на первом силовом выводе "С" относительно второго силового вывода "И", т.е при условииThe device is an asymmetric key and provides current transmission and power regulation in the load with a positive potential at the first power terminal "C" relative to the second power terminal "And", that is, provided

где UСИ - выходное напряжение устройства между выводами "С" и «И", В.where U SI is the output voltage of the device between the terminals "C" and "And", V.

Блокированное состояние ключа реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе "З", соединенном с затвором 9 управляющего МОП-транзистора.The locked state of the key is realized when the control signal is zero at the third control terminal "Z" connected to the gate 9 of the control MOS transistor.

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 UDS ТЭУ - напряжение сток-исток ТЭУ, В.where U DS TEU - voltage drain-source TEU, V.

UDS МОП1 - напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора, В. Обозначим коэффициент блокирования ТЭУ символом μ. Тогда напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора можно записать как:U DS MOS1 - drain-source voltage of the control MOS transistor, V. Denote the blocking coefficient of TEU by μ. Then, the drain-source voltage of the MOSFET can be written as:

где UGS ТЭУ - напряжение затвор-исток ТЭУ, В.where U GS TEU - voltage gate-source TEU, V.

UGS МОП2 - напряжение затвор-исток дополнительного МОП-транзистора, В.U GS MOS2 - gate-source voltage of an additional MOS transistor, V.

Напряжение UGS МОП2 устанавливается во входной цепи дополнительного МОП-транзистора при выключении устройства и равно сумме падений напряжений: обратного на диоде 14 и напряжения на сопротивлении сток-исток открытого вспомогательного МОП-транзистора 3, когда через диод 14 и дополнительный МОП-транзистор протекает импульс обратного тока затвора 6 ТЭУ. Таким образом:The voltage U GS MOS2 is installed in the input circuit of the additional MOS transistor when the device is turned off and is equal to the sum of the voltage drops: reverse on the diode 14 and the voltage at the drain-source resistance of the open auxiliary MOS transistor 3, when a pulse flows through the diode 14 and the additional MOS transistor reverse shutter current 6 TEU. In this way:

где UKA - обратное напряжение на диоде 14, В.where U KA is the reverse voltage to the diode 14, V.

IЗ - ток затвора ТЭУ, А.I З - gate current of TEU, A.

RDS(on)2 - сопротивление сток-исток открытого дополнительного МОП-транзистора, Ом.R DS (on) 2 is the drain-source resistance of the open additional MOS transistor, Ohm.

Диод 14, введенный в устройство, является полупроводниковым ограничителем напряжения (Suppressor), который при протекании обратного тока затвора ТЭУ находится на участке обратимого пробоя, что по принципу действия аналогично стабилитрону или диоду Зенера. Отличительной чертой таких диодов является способность поглощения относительно большой мощности на этапе Зенеровского пробоя (несколько тысяч Вт), высокое быстродействие (единицы нc), малое дифференциальное сопротивление (единицы мОм), надежная фиксация напряжения.The diode 14, introduced into the device, is a semiconductor voltage limiter (Suppressor), which, when the reverse current of the TEU gate flows, is located in the reversible breakdown region, which is similar in principle to the Zener diode or Zener diode. A distinctive feature of such diodes is the ability to absorb relatively high power at the Zener breakdown stage (several thousand watts), high speed (units ns), low differential resistance (units mOhm), and reliable voltage fixing.

Обозначим напряжение, фиксируемое диодом 14, как U0. Применяемый во входной цепи ТЭУ вспомогательный МОП-транзистор является низковольтным, и его сопротивление КDS(оn)2 относительно невелико (единицы мОм). При токах нагрузки равных десяткам ампер напряжение IЗ·RDS(оn)2 составляет не более 0,1 В и по сравнению с U0 (единицы В) им можно пренебречь. Таким образом:Denote the voltage recorded by the diode 14, as U 0 . The auxiliary MOS transistor used in the TEU input circuit is low-voltage, and its resistance K DS (on) 2 is relatively small (units of mOhm). At load currents equal to tens of amperes, the voltage I З · R DS (оn) 2 is not more than 0.1 V and can be neglected in comparison with U 0 (units V). In this way:

Следовательно, уравнение (3) можно переписать как:Therefore, equation (3) can be rewritten as:

В существующих технологиях реализации структуры ТЭУ не существует физических и технологических причин, препятствующих достижению практически любой необходимой величины коэффициента блокирования μ. Это позволяет, согласно уравнению (6), применить также низковольтным и управляющий МОП-транзистор с малым сопротивлением сток-исток в открытом состоянии - порядка единиц миллиом.In existing technologies for the implementation of the structure of TEU there are no physical and technological reasons that impede the achievement of almost any necessary value of the blocking coefficient μ. This allows, according to equation (6), to apply also a low-voltage control MOS transistor with a low drain-source resistance in the open state - of the order of a few milliom.

Т.о. в блокированном состоянии устройства практически все внешнее напряжение Е согласно уравнению (2) приложено к высоковольтному ТЭУ, вспомогательный МОП-транзистор открыт (U0 выше его порога отпирания), а напряжение на закрытом управляющем МОП-транзисторе относительно невелико.T.O. in the locked state of the device, almost all the external voltage E according to equation (2) is applied to the high-voltage TEU, the auxiliary MOS transistor is open (U 0 is higher than its unlock threshold), and the voltage on the closed control MOS transistor is relatively small.

Включение устройства производится подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод "З". При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора, что обеспечивает его включение.The device is turned on by applying a positive voltage pulse to the third control terminal "Z". In this case, the input capacitance of the control MOS transistor is charged, which ensures its inclusion.

Емкость управляющего р-n перехода затвор 6 - исток 4 ТЭУ заряжена перед включением до отрицательного напряжения, определяемого в соответствии с уравнением (3):The capacity of the control pn junction gate 6 - source 4 of the TEU is charged before switching on to a negative voltage, determined in accordance with equation (3):

Для достижения необходимой скорости включения устройства необходимо достаточно быстро разрядить данную емкость. При включении управляющего МОП-транзистора емкость затвор-исток ТЭУ будет форсированно разряжаться при помощи емкости затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора. Как отмечалось выше, необходимо также обеспечить поступление дополнительного заряда во входную цепь высоковольтного ТЭУ после полного разряда емкости затвор-исток ТЭУ, когда управляющий p-n переход ТЭУ смещается в прямом направлении.To achieve the required speed on the device you need to quickly discharge this capacity. When the control MOS transistor is turned on, the gate-source capacitance of the TEU will be forcedly discharged using the gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor. As noted above, it is also necessary to ensure the supply of an additional charge to the input circuit of the high-voltage TEU after the discharge of the gate-source capacity of the TEU when the control p-n junction of the TEU is displaced in the forward direction.

Обозначим величину дополнительного заряда как QД, тогда необходимо потребовать, чтобы заряд, накопленный во входной емкости затвор 12 - исток 10 вспомогательного МОП-транзистора удовлетворял условию:Denote the value of the additional charge as Q D , then it is necessary to require that the charge accumulated in the input capacitance of the gate 12 - source 10 of the auxiliary MOS transistor satisfy the condition:

где СЗИ МОП2 - емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, нФ.where C ZI MOS2 is the gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor, nF.

СЗИ ТЭУ- емкость затвор-исток ТЭУ, нФ.With ZI TEU - gate-source capacity of TEU, nF.

Неравенство (8) позволяет для заданного ТЭУ подобрать соответствующие параметры вспомогательного МОП-транзистора 3 и диода 14.Inequality (8) allows for a given TEU to select the appropriate parameters of the auxiliary MOS transistor 3 and diode 14.

По окончании переходного процесса включения емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора разряжается, данный транзистор запирается, а на устройстве падает прямое напряжение:At the end of the switching on process, the gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor is discharged, this transistor is locked, and the forward voltage drops on the device:

где U(оn)ТЭУ - падение напряжения на открытом ТЭУ, В.where U (Оn) ТЭУ - voltage drop on an open ТЭУ, V.

RDS(on)1 - сопротивление сток-исток открытого управляющего МОП-транзистора, Ом.R DS (on) 1 is the drain-source resistance of the open MOSFET, in ohms.

IС - ток силового устройства в открытом состоянии, А.I C - current power device in the open state, A.

Ток IC определяется параметрами нагрузки и внешней цепи. Выключение устройства производится переключением напряжения на управляющем выводе "3" до нулевого значения. При этом происходит разряд входной емкости управляющего МОП-транзистора, после чего данный транзистор запирается. Потенциал стока 8 управляющего МОП-транзистора начинает увеличиваться, при этом растет отрицательное напряжение во входной цепи затвор-исток ТЭУ (в начальный момент времени потенциал затвора ТЭУ определяется практически нулевым напряжением затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора). При этом в базовом слое ТЭУ формируется область пространственного заряда, и напряжение на устройстве увеличивается.The current I C is determined by the parameters of the load and the external circuit. The device is turned off by switching the voltage at the control terminal "3" to zero. In this case, the input capacitance of the control MOS transistor is discharged, after which this transistor is locked. The drain potential 8 of the control MOS transistor begins to increase, while the negative voltage in the input gate-source circuit of the TEC increases (at the initial instant of time, the gate potential of the TEC is determined by the almost zero gate-source voltage of the auxiliary MOS transistor). In this case, a space charge region is formed in the base layer of the TEU, and the voltage on the device increases.

В цепи затвора ТЭУ при этом появляется импульс обратного тока по амплитуде практически равный току нагрузки IС. Данный импульс тока начинает заряжать емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, и при увеличении напряжения во входной цепи указанного МОП-транзистора выше порогового, последний отпирается. Однако ток стока вспомогательного МОП-транзистора появляется только после включения ограничительного диода 14, когда напряжение UGS МОП2 становится равным величине U0. Поскольку напряжение на емкости затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора далее фиксируется диодом 14 на уровне U0, энергия, запасаемая в данной емкости, равна . Вспомогательный МОП-транзистор находится в насыщенном состоянии (так как напряжение U0 превышает его пороговое напряжение включения). Поэтому другая часть энергии от протекания импульса обратного тока затвора ТЭУ, равная произведению заряда тока, проходящего через диод 14 на напряжение U0, практически полностью поглощается диодом 14. Т.о. выбор диода 14 необходимо проводить как по требуемой величине U0, так и с учетом его способности поглотить оставшуюся после заряда емкости СЗИ МОП2 энергию импульса обратного тока.In this case, a reverse current pulse appears in the TEU gate circuit in amplitude almost equal to the load current I C. This current pulse begins to charge the gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor, and when the voltage in the input circuit of the specified MOS transistor increases above the threshold, the latter is unlocked. However, the drain current of the auxiliary MOSFET appears only after switching on the limiting diode 14, when the voltage U GS MOS2 becomes equal to the value of U 0 . Since the voltage at the gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor is further fixed by the diode 14 at the level of U 0 , the energy stored in this capacitance is . The auxiliary MOS transistor is in a saturated state (since the voltage U 0 exceeds its threshold switching voltage). Therefore, another part of the energy from the flow of the reverse current gate pulse of the TEU, equal to the product of the charge of the current passing through the diode 14 by the voltage U 0 , is almost completely absorbed by the diode 14. So the choice of the diode 14 must be carried out both by the required value of U 0 , and taking into account its ability to absorb the energy of the reverse current pulse remaining after the charge of the capacitance C MOS MOP2 .

Предлагаемое ключевое устройство сохраняет свою работу также в режиме кратковременных токовых перегрузок. При увеличении тока нагрузки выше некоторой величины, определяемой выходной характеристикой управляющего МОП-транзистора, последний переходит из режима насыщения с малым сопротивлением RDS(on)1 в активную область работы, что означает рост его выходного напряжения сток 8 - исток 7. Это в свою очередь приводит к The proposed key device also maintains its operation in the mode of short-term current overloads. When the load current increases above a certain value determined by the output characteristic of the control MOS transistor, the latter switches from the saturation mode with a small resistance R DS (on) 1 to the active region of operation, which means an increase in its output voltage, drain 8 is source 7. This is in its queue leads to

увеличению отрицательного напряжения на управляющем р-n переходе ТЭУ и далее аналогично процессам при запирании устройства. Отличие заключается в том, что в цепи затвора ТЭУ начинает протекать часть тока перегрузки, величина которой определяется коэффициентом передачи тока внутреннего р-n-р транзистора в структуре ТЭУ. Другая часть тока перегрузки ограничена максимальным током управляющего МОП-транзистора, величина которого в свою очередь зависит от величины управляющего напряжения и крутизны данного транзистора.increase the negative voltage at the control pn junction of the TEU and then similar to the processes when locking the device. The difference is that part of the overload current begins to flow in the TEU gate circuit, the value of which is determined by the current transfer coefficient of the internal pnp transistor in the structure of the TEU. Another part of the overload current is limited by the maximum current of the control MOS transistor, the value of which in turn depends on the magnitude of the control voltage and the slope of the transistor.

При первом начальном включении устройства (режим пуска) емкость затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора не заряжена и имеет нулевое напряжение. В этом случае разряд емкости затвор-исток ТЭУ проходит по контуру: открытый управляющий МОП-транзистор 2 - внутренний обратный диод 13 вспомогательного МОП-транзистора 3 - диод 14. Т.о. диод 14, ограничивающий напряжение, должен выбираться однонаправленным (Unidirectional).When the device is first turned on (start-up mode), the gate-source capacitance of the auxiliary MOS transistor is not charged and has a zero voltage. In this case, the discharge of the gate-source capacitance of the TEU passes along the circuit: open control MOS transistor 2 — internal reverse diode 13 of the auxiliary MOS transistor 3 — diode 14. Thus Voltage limiting diode 14 must be selected as Unidirectional.

Пример конкретного исполнения. Устройство представляет собой силовую гибридную схему, выполненную в соответствии с Фиг.1, в которой все элементы в виде отдельных кристаллов (ТЭУ, управляющий и вспомогательный МОП-транзисторы, диод) напаяны на общую изолирующую подложку, выполненную из алюмооксидной керамики, покрытую медной металлизацией. При этом использован высоковольтный ТЭУ 1 с предельно допустимым напряжением сток-исток 1200 В, коэффициентом блокирования до 100 единиц, максимально допустимым током 50 А. Размер кристалла ТЭУ 7×7 мм. В качестве транзисторов 2 и 3 использованы кристаллы n-канальных МОП транзисторов, имеющих максимально допустимое напряжение сток-исток 55 В, пороговое напряжение 2,1...4,0 В, максимально допустимый ток стока 100 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 3,0 мOм, входную емкость затвор-исток 20 нФ. Примененный в устройстве диод имеет следующие параметры: импульсная рассеиваемая мощность 1500 Вт, максимальный импульсный ток 100 А, напряжение ограничения 7 В, дифференциальное сопротивление на участке ограничения 4,3 мOм, ток утечки не более 50 мкА. Все электрические соединения элементов выполнены ультразвуковой сваркой при помощи алюминиевой проволоки диаметром 300 мкм, присоединенной к контактным площадкам соответствующих элементов.An example of a specific implementation. The device is a hybrid power circuit, made in accordance with Figure 1, in which all the elements in the form of separate crystals (TEU, control and auxiliary MOS transistors, a diode) 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 drain-source voltage of 1200 V, a blocking coefficient of up to 100 units, and a maximum allowable current of 50 A was used. The size of the TEU crystal is 7 × 7 mm. As transistors 2 and 3, crystals of n-channel MOS transistors with a maximum allowable drain-source voltage of 55 V, a threshold voltage of 2.1 ... 4.0 V, a maximum allowable drain current of 100 A, and drain-source resistance in open state not more than 3.0 mOhm, input gate-source capacitance of 20 nF. The diode used in the device has the following parameters: pulse dissipated power of 1500 W, maximum pulse current of 100 A, limiting voltage of 7 V, differential resistance in the limiting region of 4.3 mOhm, leakage current of not more than 50 μA. 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.

Заявляемое устройство в данном исполнении обеспечивает коммутацию тока до 50 А при напряжении 1200 В. Падение напряжения на открытом устройстве при токе 50 А составляет 1,5 В. Время нарастания тока 40 нс (до уровня 20 А), время спада тока 50 нс, длительность остаточного тока 1000...1500 нс.The inventive device in this design provides current switching up to 50 A at a voltage of 1200 V. The voltage drop across an open device at a current of 50 A is 1.5 V. The rise time of the current is 40 ns (up to 20 A), the current fall time is 50 ns, the duration residual current 1000 ... 1500 ns.

Данное устройство может быть использовано в радиоэлектронике, аппаратуре контроля и регулирования мощности, преобразовательной технике, вторичных источниках электропитания.This device can be used in electronics, power control and regulation equipment, converting technology, secondary power sources.

На Фиг.2, 3, 4 представлены осциллограммы работы опытных образцов данного ключевого устройства, снятые с использованием цифрового осциллографа фирмы Tektronix серии TDS 3054.Figure 2, 3, 4 shows the waveforms of the prototypes of this key device, taken using a Tektronix digital oscilloscope company TDS 3054 series.

Режим работы устройства во всех случаях:The operating mode of the device in all cases:

- нагрузка индуктивная 100 мкГн в режиме непрерывного тока, шунтированная встречным диодом HFA08TB60 фирмы IR;- inductive load of 100 μH in continuous current mode, shunted by the counter diode HFA08TB60 of IR company;

- выходная цепь: Е=300 В, номинальный непрерывный ток нагрузки 20 А;- output circuit: E = 300 V, rated continuous load current 20 A;

- входная цепь: Ег=15 В, фронт переключения импульсов управления <15 нс, выходное сопротивление цепи генератора не более 0,2 Ом, сопротивление, последовательно подключенное к выводу "З" 2,2 Ом.- input circuit: Er = 15 V, the switching pulse of the control pulses is <15 ns, the output resistance of the generator circuit is not more than 0.2 Ohms, the resistance connected in series to terminal “Z” is 2.2 Ohms.

На Фиг.2 показано переключение устройства по току:Figure 2 shows the current switching device:

- канал 1: напряжение затвор-исток устройства;- channel 1: gate-source voltage of the device;

- канал 3: ток стока устройства.- channel 3: drain current of the device.

Масштаб по вертикали (масштаб амплитуды):Vertical scale (amplitude scale):

- канал 1:10 В на деление;- channel 1:10 V per division;

- канал 3:5 А на деление.- channel 3: 5 A per division.

Масштаб по горизонтали (масштаб развертки):Horizontal Scale (Sweep Scale):

- 200 нс на деление.- 200 ns per division.

Стрелка слева с номером соответствующего канала показывает уровень нулевого значения по вертикали для данного канала.The arrow on the left with the number of the corresponding channel shows the level of zero vertical values for this channel.

На Фиг.3 показано переключение устройства по напряжению:Figure 3 shows the switching device voltage:

- канал 1: напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора;- channel 1: voltage drain-source control MOS transistor;

- канал 2: напряжение сток-исток устройства.- channel 2: drain-source voltage of the device.

Масштаб по вертикали:Vertical Scale:

- канал 1:20 В на деление;- channel 1:20 V per division;

- канал 2:100 В на деление.- channel 2: 100 V per division.

Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:

- 200 нс на деление.- 200 ns per division.

На Фиг.4 показано напряжение управления:Figure 4 shows the control voltage:

- канал 1: напряжение затвор-исток управляющего МОП-транзистора;- channel 1: gate-source voltage of the control MOS transistor;

- канал 2: напряжение затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора.- channel 2: gate-source voltage of the auxiliary MOS transistor.

Масштаб по вертикали:Vertical Scale:

- канал 1:10 В на деление;- channel 1:10 V per division;

- канал 2:5 В на деление.- channel 2: 5 V per division.

Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:

- 200 нс на деление.- 200 ns per division.

Claims (1)

Полупроводниковое устройство ключевого типа, характеризующееся тем, что включает тиристор с электростатическим управлением (ТЭУ), управляющий n-канальный МОП-транзистор и вспомогательный n-канальный МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, соединенные между собой таким образом, что сток ТЭУ подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку управляющего МОП-транзистора, исток которого подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, и связан с истоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, затвор вспомогательного МОП-транзистора соединен с затвором ТЭУ, а в устройство введен диод, анод которого соединен со стоком вспомогательного МОП-транзистора, при этом катод указанного диода соединен с затвором ТЭУ.
Figure 00000001
A semiconductor device of a key type, characterized in that it includes a thyristor with electrostatic control (TEU), a control n-channel MOS transistor, and an auxiliary n-channel MOS transistor containing each source, drain, and gate, interconnected so that the drain The TEU is connected to the first power terminal, the source of the TEU is connected to the drain of the control MOS transistor, the source of which is connected to the second power terminal serving as a common bus, and is connected to the source of the auxiliary MOS transistor, while the gate of the MOS transistor is connected to the third control terminal, the gate of the auxiliary MOS transistor is connected to the gate of the TEU, and a diode is introduced into the device, the anode of which is connected to the drain of the auxiliary MOS transistor, while the cathode of the indicated diode is connected to the gate of the TEU.
Figure 00000001
RU2008110551/22U 2008-03-21 2008-03-21 KEY SEMICONDUCTOR DEVICE RU74253U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008110551/22U RU74253U1 (en) 2008-03-21 2008-03-21 KEY SEMICONDUCTOR DEVICE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008110551/22U RU74253U1 (en) 2008-03-21 2008-03-21 KEY SEMICONDUCTOR DEVICE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU74253U1 true RU74253U1 (en) 2008-06-20

Family

ID=48234904

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008110551/22U RU74253U1 (en) 2008-03-21 2008-03-21 KEY SEMICONDUCTOR DEVICE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU74253U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7898114B2 (en) Protective circuit device for a solar module
US20190393871A1 (en) Cascode switches including normally-off and normally-on devices and circuits comprising the switches
US10491104B2 (en) Active clamp power converter and method of reducing shoot-through current during soft start
KR101438283B1 (en) Semiconductor switch and power conversion device
US6081432A (en) Active reset forward converter employing synchronous rectifiers
Seidel et al. A fully integrated three-level 11.6 nC gate driver supporting GaN gate injection transistors
CN113037273B (en) Capacitive coupling type level shifter
CN111799992A (en) GaN half-bridge circuit and GaN bootstrap power supply voltage generator circuit
EP1596496A1 (en) Control circuit for an insulated gate bipolar transistor (IGBT)
US9397636B2 (en) System and method for driving transistors
US20110075446A1 (en) Circuit for Converting a Pulsed Input Voltage to a DC Voltage
US9502892B2 (en) Electrostatic discharge protection circuit and related method
US9912332B2 (en) Semiconductor device
US20080197904A1 (en) Circuit Arrangement for Switching a Load
US6982883B2 (en) Radiation tolerant electrical component with non-radiation hardened FET
KR102284188B1 (en) GATE DRIVING CIRCUIT FOR SiC MOSFET
US8456198B2 (en) Radiation tolerant complementary cascode switch using non-radiation hardened transistors
RU74533U1 (en) KEY SEMICONDUCTOR DEVICE
US9742394B2 (en) High-voltage, high-current, solid-state closing switch
RU74253U1 (en) KEY SEMICONDUCTOR DEVICE
US6639388B2 (en) Free wheeling buck regulator with floating body zone switch
RU74534U1 (en) KEY SEMICONDUCTOR DEVICE
CN116633341A (en) Potential conversion circuit of driving device
RU148939U1 (en) POWER REVERSED SEMICONDUCTOR DEVICE
RU2268545C2 (en) Semiconductor key device

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20160322

NF9K Utility model reinstated

Effective date: 20180123