RU74534U1 - KEY SEMICONDUCTOR DEVICE - Google Patents

KEY SEMICONDUCTOR DEVICE Download PDF

Info

Publication number
RU74534U1
RU74534U1 RU2008110553/22U RU2008110553U RU74534U1 RU 74534 U1 RU74534 U1 RU 74534U1 RU 2008110553/22 U RU2008110553/22 U RU 2008110553/22U RU 2008110553 U RU2008110553 U RU 2008110553U RU 74534 U1 RU74534 U1 RU 74534U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mos transistor
teu
drain
gate
source
Prior art date
Application number
RU2008110553/22U
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 RU2008110553/22U priority Critical patent/RU74534U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU74534U1 publication Critical patent/RU74534U1/en

Links

Abstract

Полезная модель направлена на улучшение динамических параметров переключения устройства. 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, а затвор вспомогательного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, причем в устройство введена форсирующая цепочка, состоящая из параллельного соединения конденсатора и диода, первая общая точка подключения одной обкладки конденсатора и анода диода соединена со стоком вспомогательного МОП-транзистора, а вторая общая точка подключения второй обкладки конденсатора и катода диода соединена с затвором ТЭУ. 3 илл.The utility model is aimed at improving the dynamic parameters of the switching device. A key type semiconductor device includes an electrostatic controlled thyristor (TEU), an n-channel MOS transistor, and an auxiliary n-channel MOS transistor, each source, drain, and gate connected together so that the drain of the TEU is connected to the first power conclusion, 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 MOS transistor, while the gate of the control MOS trans the resistor is connected to the third control terminal, and the gate of the auxiliary MOS transistor is connected to the drain of the control MOS transistor, and a boost circuit consisting of a parallel connection of the capacitor and the diode is introduced into the device, the first common point of connection of one capacitor plate and the anode of the diode is connected to the drain of the auxiliary MOS transistor, and the second common point of connection of the second plate of the capacitor and the cathode of the diode is connected to the gate of the TEU. 3 ill.

Description

Изобретение 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 invention 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 (English name 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 (каскодная схема ключа) (см. US 5323028 A, 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 (cascode key circuit) (see US 5323028 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, а затвор дополнительного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора (cм.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 MOS transistor is connected to the third control terminal, and the gate of the additional MOS transistor is connected to the drain of the control MOS transistor (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 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 inclusion of the semiconductor device, and the front

нарастания выходного тока на уровне десятков ампер составляет несколько сотен наносекунд. Проблема 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, состоящую из последовательного соединения конденсатора и диода, 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.the increase in the output current at the level of tens of amperes is several hundred nanoseconds. The problem 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, it is proposed in the known device to introduce a boost chain consisting of a series connection of a capacitor and a diode, the capacitor of this chain being 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 изобретения заключается в улучшении динамических параметров переключения полупроводникового устройства.The technical result of the invention is to improve the dynamic switching parameters of a semiconductor device.

1. Конденсатор форсирующей цепочки, заряженный 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 подключения данного конденсатора между затвором ТЭУ и стоком вспомогательного МОП-транзистора.1. The capacitor of the boost chain charged in the transition process of turning off the device, in the transition process of turning on the device, is discharged into the input circuit of the TEU, ensuring its quick inclusion and initial modulation of the base layer of the TEU by connecting this capacitor between the gate of the TEU and the drain of the auxiliary MOS transistor.

2. Необходимый заряд для быстрого включения устройства и модуляции базового слоя ТЭУ накапливается в конденсаторе форсирующей цепочки в переходном процессе выключения устройства при фиксированном напряжении на конденсаторе за счет подключенного параллельно данному конденсатору диода, анод которого соединен со стоком вспомогательного МОП-транзистора, а катод диода соединен с затвором ТЭУ. При этом не требуется дополнительная энергия от управляющей цепи устройства.2. The necessary charge to quickly turn on the device and modulate the base layer of TEU is accumulated in the capacitor of the boost chain during the transient turn-off of the device at a fixed voltage on the capacitor due to the diode connected in parallel to this capacitor, the anode of which is connected to the drain of the auxiliary MOS transistor, and the cathode of the diode is connected with shutter TEU. This does not require additional energy from the control circuit of the device.

3. 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 форсирующей цепочки.3. In the transition 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 fixing at the required level of this voltage by the diode of the boost chain introduced into the device.

4. Применяемый в устройстве конденсатор не увеличивает входную емкость устройства.4. The capacitor used in the device does not increase the input capacitance of the device.

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, а затвор вспомогательного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, в устройство введена форсирующая цепочка, состоящая из параллельного соединения конденсатора и диода, причем первая общая точка подключения одной обкладки конденсатора и анода диода соединена со стоком вспомогательного МОП-транзистора, а вторая общая точка подключения второй обкладки конденсатора и катода диода соединена 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 a transistor, while the gate of the MOS transistor is connected to the third control terminal, and the gate of the auxiliary MOS transistor is connected to the drain of the control MOS transistor, a boost circuit consisting of a parallel connection of a capacitor and a diode is introduced into the device, the first common point connecting one plate the capacitor and the anode of the diode is connected to the drain of the auxiliary MOS transistor, and the second common point of connection of the second plate of the capacitor and the cathode of the diode is connected to the gate of the TEU.

На Фиг.1. представлено полупроводниковое устройство ключевого типа.In figure 1. a key type semiconductor device is presented.

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

На Фиг.3. - осциллограмма переключения устройства по напряжению (напряжение затвор-исток устройства и напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора).In figure 3. - an oscillogram of the device switching by voltage (the gate-source voltage of the device and the drain-source voltage of the control MOS transistor).

Силовое полупроводниковое ключевое устройство Фиг.1. 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, вспомогательный 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.Power semiconductor key device contains 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, the control MOS transistor contains a region source 7, drain region 8 and gate 9, the auxiliary MOS transistor comprises a source region 10, drain region 11 and gate 12. Between the source 10 and drain 11 of the auxiliary MOS transistor 3, its internal reverse diode 13 is shown by dashed lines.

ТЭУ, управляющий и вспомогательный 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), а затвор 12 вспомогательного МОП-The TEU, the control and auxiliary MOS transistors are interconnected as follows: drain 5 of the TEU is connected to the first power terminal "C" (drain of the device), the source 4 of the TEU is connected to the drain 8 of the control MOS transistor 2, the source 7 of which is connected to the second power the output "And" (the source of the device), which serves as a common bus, and is 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" (the shutter of the device), and the gate 12 of the auxiliary MOS

транзистора 3 соединен со стоком 8 управляющего МОП-транзистора, в устройство введена форсирующая цепочка, состоящая из параллельного соединения конденсатора 17 и диода 14, причем первая общая точка подключения одной обкладки 18 конденсатора 17 и анода 15 диода 14 соединена со стоком 11 вспомогательного МОП-транзистора 3, а вторая общая точка подключения второй обкладки 19 конденсатора 17 и катода 16 диода 14 соединена с затвором 6 ТЭУ.the transistor 3 is connected to the drain 8 of the control MOS transistor, a boost chain is introduced into the device, consisting of a parallel connection of the capacitor 17 and the diode 14, and the first common point of connection of one plate 18 of the capacitor 17 and the anode 15 of the diode 14 is connected to the drain 11 of the auxiliary MOS transistor 3, and the second common point of connection of the second plate 19 of the capacitor 17 and the cathode 16 of the diode 14 is connected to the gate 6 of the TEU.

Заявляемое ключевое устройство работает следующим образом. Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает протекание тока и регулирование мощности в нагрузке при положительном потенциале на первом силовом выводе "С" относительно второго силового вывода "И", т.е при условииThe inventive key device operates as follows. The device is an asymmetric key and provides the flow of current and power regulation in the load with a positive potential at the first power output "C" relative to the second power output "I", 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 "I", V.

Блокированное состояние ключа реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе "З", соединенном с затвором 9 управляющего МОП-транзистора. При этом последний находится в закрытом состоянии и ток через него, а соответственно, и через ТЭУ 1 практически не протекает.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. Moreover, the latter is in the closed state and the current through it, and, accordingly, through the TEU 1 practically does not flow.

Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому ключевому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке, символом Е. При отсутствии тока в данной цепи (ключевое устройство заперто):We denote the external voltage applied to the claimed key device and the load connected in series with it, the symbol E. In the absence of current in this circuit (the key device is locked):

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.U DS MOS1 - voltage drain-source control MOS transistor, V.

Отношение напряжения сток-исток ТЭУ к напряжению затвор-исток ТЭУ при заданном токе утечки через закрытый ТЭУ называется коэффициентом блокирования. Обозначим его символом μ.The ratio of the drain-source voltage of a TEU to the gate-source voltage of a TEU at a given leakage current through a closed TEU is called the blocking coefficient. Denote it by the symbol μ.

Тогда напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора можно записать как:Then, the drain-source voltage of the MOSFET can be written as:

где UDS МОП2 - напряжение сток-исток вспомогательного МОП-транзистора, В.where U DS MOS2 - voltage drain-source auxiliary MOS transistor, V.

UС - напряжение на конденсаторе 17, В.U C - voltage across the capacitor 17, V.

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

Если напряжение UDS МОП1 становится больше порогового напряжения отпирания U02 вспомогательного МОП-транзистора (что практически реализуется в рассматриваемом устройстве), последний оказывается в открытом состоянии. Т.к. отсутствие тока через ТЭУ означает также отсутствие тока в цепи его затвора (с точностью до значений тока утечки, составляющего доли мА) можно положить:If the voltage U DS MOS1 becomes greater than the threshold voltage of the gate U 02 of the auxiliary MOS transistor (which is practically implemented in the device under consideration), the latter is in the open state. Because the absence of current through the TEU also means the absence of current in the circuit of its gate (up to a leakage current of a fraction of mA), we can put:

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

ID2 - ток стока вспомогательного МОП-транзистора, А. Поэтому формулу (3) с учетом (4) можно переписать:I D2 is the drain current of the auxiliary MOS transistor, A. Therefore, formula (3), taking into account (4), can be rewritten:

что позволяет сформулировать требования к предельно допустимому выходному напряжению управляющего МОП-транзистора.which allows us to formulate the requirements for the maximum permissible output voltage of the control MOS transistor.

В существующих технологиях реализации структуры ТЭУ не существует физических и технологических причин, препятствующих достижению практически любой необходимой величины коэффициента блокирования μ. Напряжение UС ограничено фиксирующим напряжением диода 14, которое составляет не более 10 В. Т.о. в устройстве возможно использование низковольтного управляющего МОП-транзистора с малым сопротивлением в открытом состоянии RDS(on)1.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. The voltage U C is limited by the fixing voltage of the diode 14, which is not more than 10 V. in the device, it is possible to use a low-voltage control MOS transistor with a small open resistance R DS (on) 1 .

Поскольку в рассматриваемом устройстве напряжение UDS МОП1 равно входному напряжению затвор-исток вспомогательного МОП-транзистора, то класс по напряжению управляющего МОП-транзистора будет не выше предельного напряжения для входной цепи транзисторов с изолированным затвором, т.е. не более 20-30 В. При данном классе напряжения RDS(on)1 для современных технологий силовых низковольтных МОП-транзисторов составляет единицы миллиом.Since in this device the voltage U DS MOS1 is equal to the input gate-source voltage of the auxiliary MOS transistor, the voltage class of the control MOS transistor will not be higher than the voltage limit for the input circuit of insulated gate transistors, i.e. no more than 20-30 V. With this voltage class, R DS (on) 1 for modern technologies of power low-voltage MOS transistors is one milliom.

Т.о. в блокированном состоянии устройства практически все внешнее напряжение Е приложено к ТЭУ, вспомогательный МОП-транзистор открыт, а напряжение на управляющем МОП-транзисторе относительно невелико, однако выше порогового напряжения отпирания вспомогательного МОП-транзистора.T.O. in the locked state of the device, almost all of the external voltage E is applied to the TEU, the auxiliary MOS transistor is open, and the voltage on the control MOS transistor is relatively small, however, it is higher than the threshold voltage for unlocking the auxiliary MOS transistor.

Включение устройства достигается подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод "З". При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора, что приводит к его включению.The inclusion of the device is achieved 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 leads to 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 получения требуемой скорости включения устройства необходимо быстро разрядить данную емкость. При включении управляющего МОП-транзистора вспомогательный МОП-транзистор запирается, однако емкость затвор-исток ТЭУ форсированно разряжается при помощи конденсатора 17 по контуру: включенный управляющий МОП-транзистор 2 - обратный диод 13 вспомогательного МОП-транзистора 3 - конденсатор 17. Применяемый в форсирующей цепочке диод является полупроводниковым ограничителем напряжения (suppressor) и имеет вольт-амперную характеристику, To obtain the required speed on the device must quickly discharge this capacity. When the control MOS transistor is turned on, the auxiliary MOS transistor is locked, however, the gate-source capacitance of the TEU is forcedly discharged using a capacitor 17 along the circuit: the included control MOS transistor 2 is the inverse diode 13 of the auxiliary MOS transistor 3 — a capacitor 17. Used in the boost chain the diode is a semiconductor voltage limiter (suppressor) and has a current-voltage characteristic,

аналогичную характеристике стабилитрона. Однако данный диод позволяет поглощать значительную энергию (рассеиваемая импульсная мощность составляет до нескольких тысяч ватт), имеет малое время срабатывания (единицы наносекунд), малое дифференциальное сопротивление на участке стабилизации напряжения (единицы миллиом) и надежно фиксирует напряжение.a similar characteristic of the zener diode. However, this diode allows you to absorb significant energy (dissipated pulsed power up to several thousand watts), has a short response time (a few nanoseconds), a small differential resistance in the voltage stabilization section (a few milliohms) and reliably fixes the voltage.

Необходимо также обеспечить дополнительный заряд во входную цепь высоковольтного ТЭУ после полного разряда емкости затвор-исток ТЭУ, когда управляющий р-n переход ТЭУ смещается в прямом направлении.It is also necessary to provide an additional charge to the input circuit of the high-voltage TEU after a full discharge of the gate-source capacity of the TEU, when the control pn junction of the TEU is shifted in the forward direction.

Если обозначить величину дополнительного заряда Qд, то следует потребовать, чтобы заряд, запасаемый конденсатором 17 в переходном процессе выключения устройства, удовлетворял условию:If we denote the value of the additional charge Q d , then it should be required that the charge stored by the capacitor 17 in the transient shutdown of the device satisfy the condition:

где С - емкость конденсатора 17, нФ.where C is the capacitance of the capacitor 17, nF.

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

U0 - напряжение фиксации диода 14, В.U 0 - fixing voltage of the diode 14, Century

Неравенство 7 позволяет для заданных параметров ТЭУ подобрать соответствующие параметры ограничительного диода 14 и конденсатора 17.Inequality 7 allows for the given parameters of the TEU to select the appropriate parameters of the limiting diode 14 and the capacitor 17.

По окончании переходного процесса включения конденсатор 17 полностью разряжается, а на устройстве устанавливается прямое напряжение:At the end of the switching on process, the capacitor 17 is completely discharged, and the forward voltage is established 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 управляющего МОП-транзистора, Ом.R DS (on) 1 - resistance drain-source control MOS transistor, Ohm.

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

Ток IС определяется параметрами нагрузки и внешней цепи.The current I C is determined by the parameters of the load and the external circuit.

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 входное напряжение затвор 12 - исток 10 вспомогательного МОП-транзистора. Когда данное напряжение достигает порога отпирания U02 вспомогательного МОП-транзистора, последний отпирается. При этом к цепи затвор-исток ТЭУ прикладывается отрицательное напряжение фактически равное падению напряжения на управляющем МОП-транзисторе (в начальный момент времени напряжение на конденсаторе 17 равно нулю).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 input voltage of the gate 12 — source 10 of the auxiliary MOS transistor increases. When this voltage reaches the unlock threshold U 02 of the auxiliary MOS transistor, the latter is unlocked. At the same time, a negative voltage is applied to the gate-source circuit of the TEU, which is practically equal to the voltage drop at the MOS transistor (at the initial time, the voltage across the capacitor 17 is zero).

В цепи затвора ТЭУ при этом появляется мощный импульс обратного тока по амплитуде практически равный току нагрузки IС. Данный импульс тока начинает заряжать конденсатор 17. Поскольку напряжение UС далее фиксируется диодом 14 на уровне U0, энергия, запасаемая в данном конденсаторе 17 равна . Другая часть энергии от протекания In this case, a powerful reverse current pulse in amplitude almost equal to the load current I C appears in the TEU gate circuit. This current pulse begins to charge the capacitor 17. Since the voltage U C is then fixed by the diode 14 at the level of U 0 , the energy stored in this capacitor 17 is . The other part of the energy from leaking

обратного тока затвора ТЭУ поглощается диодом 14, поскольку вспомогательный МОП-транзистор находится в насыщенном состоянии. Т.о. выбор диода 14 необходимо проводить как по требуемой величине U0, так и с учетом его способности поглотить оставшуюся после заряда конденсатора С энергию импульса обратного тока, равную произведению заряда тока затвора ТЭУ, проходящего через диод 14 на напряжение U0.the reverse gate current of the TEU is absorbed by the diode 14, since the auxiliary MOS transistor is in a saturated state. T.O. the choice of the diode 14 must be carried out both according to 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 capacitor C, equal to the product of the charge of the gate current of the TEU passing through the diode 14 by the voltage U 0 .

Предлагаемое ключевое устройство сохраняет свою работоспособность 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, при этом растет входное напряжение затвор 12 - исток 10 вспомогательного МОП-транзистора. Когда данное напряжение достигает порога отпирания U02 вспомогательного МОП-транзистора, последний отпирается. При этом к цепи затвор-исток ТЭУ прикладывается отрицательное напряжение 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.The proposed key device remains operational also 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 the growth of its output voltage, drain 8 - source 7, while increasing input voltage gate 12 is the source 10 of the auxiliary MOS transistor. When this voltage reaches the unlock threshold U 02 of the auxiliary MOS transistor, the latter is unlocked. In this case, a negative voltage is applied to the gate-source circuit of the TEU and then similarly 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) конденсатор форсирующей цепочки имеет нулевое напряжение. В этом случае емкость затвор 6 - исток 4 ТЭУ разряжается 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 started up (start-up mode), the boost chain capacitor has zero voltage. In this case, the gate capacitance 6 - source 4 of the TEU is discharged 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 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 и чип-конденсатор) 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 30 В, пороговое напряжение 2,1...4,0 В, максимально допустимый ток стока 80 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 4,5 мОм, входную 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 individual crystals (TEU, control and auxiliary MOS transistors, a diode and a chip capacitor) are soldered to a common insulating substrate made of alumina ceramic, plated with copper plating. 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 30 V, a threshold voltage of 2.1 ... 4.0 V, a maximum allowable drain current of 80 A, and drain-source resistance in open state not more than 4.5 mOhm, input

емкость затвор-исток 5 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 мОм. Конденсатор имеет емкость 22 нФ при максимально допустимом напряжении 25 В. Все электрические соединения элементов выполнены ультразвуковой сваркой при помощи алюминиевой проволоки диаметром 300 мкм, присоединенной к контактным площадкам соответствующих элементов.gate-source capacitance 5 nF. The diode used in the device has the following parameters: pulse dissipated power of 1500 W, maximum pulse current of 100 A, voltage limitation of 7 V, differential resistance in the region of limitation of 4.3 mOhm. The capacitor has a capacitance of 22 nF at a maximum permissible voltage of 25 V. All electrical connections of the elements are made by ultrasonic welding using an aluminum wire with a diameter of 300 μm connected 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 80 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 80 ns (up to 20 A), the current fall time is 50 ns, 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 представлены осциллограммы работы опытных образцов данного ключевого устройства, снятые с использованием цифрового осциллографа фирмы Tektronix серии TDS 3054.Figure 2, 3 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 не, выходное сопротивление цепи генератора не более 0,2 Ом, сопротивление, последовательно подключенное к выводу "3" 2,2 Ом.- input circuit: Eg = 15 V, the switching front of the control pulses <15 is not, the output resistance of the generator circuit is not more than 0.2 Ohms, the resistance connected in series to the output "3" 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 затвор-исток устройства.- channel 1: gate-source voltage of the device.

- канал 2: напряжение сток-исток управляющего МОП-транзистора;- channel 2: voltage drain-source control 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: - 200 нс на деление.Horizontal Scale: - 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, а затвор вспомогательного МОП-транзистора соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, причем в устройство введена форсирующая цепочка, состоящая из параллельного соединения конденсатора и диода, первая общая точка подключения одной обкладки конденсатора и анода диода соединена со стоком вспомогательного МОП-транзистора, а вторая общая точка подключения второй обкладки конденсатора и катода диода соединена 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 control MOS transistor is connected to the third control terminal, and the gate of the auxiliary MOS transistor is connected to the drain of the control MOS transistor, and a boost chain consisting of a parallel connection of the capacitor and diode is introduced into the device, the first common point of connection of one capacitor plate and the anode of the diode connected to the drain of the auxiliary MOS transistor, and the second common connection point of the second capacitor plate and the cathode of the diode is connected to the gate of the TEU.
Figure 00000001
RU2008110553/22U 2008-03-21 2008-03-21 KEY SEMICONDUCTOR DEVICE RU74534U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008110553/22U RU74534U1 (en) 2008-03-21 2008-03-21 KEY SEMICONDUCTOR DEVICE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008110553/22U RU74534U1 (en) 2008-03-21 2008-03-21 KEY SEMICONDUCTOR DEVICE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU74534U1 true RU74534U1 (en) 2008-06-27

Family

ID=39680501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008110553/22U RU74534U1 (en) 2008-03-21 2008-03-21 KEY SEMICONDUCTOR DEVICE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU74534U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20190393871A1 (en) Cascode switches including normally-off and normally-on devices and circuits comprising the switches
KR101438283B1 (en) Semiconductor switch and power conversion device
US20080198523A1 (en) Circuit Breaker for a Solar Module
CN113037273B (en) Capacitive coupling type level shifter
Seidel et al. A fully integrated three-level 11.6 nC gate driver supporting GaN gate injection transistors
EP1596496B1 (en) Control circuit for an insulated gate bipolar transistor (IGBT)
Yin et al. A novel gate assisted circuit to reduce switching loss and eliminate shoot-through in SiC half bridge configuration
US7636248B2 (en) Radiation tolerant electrical component with non-radiation hardened FET
CN111799992A (en) GaN half-bridge circuit and GaN bootstrap power supply voltage generator circuit
US9502892B2 (en) Electrostatic discharge protection circuit and related method
US9912332B2 (en) Semiconductor device
US20150256152A1 (en) System and Method for Driving Transistors
US20080197904A1 (en) Circuit Arrangement for Switching a Load
JPWO2015011949A1 (en) Semiconductor switch circuit
Pulvirenti et al. Analysis of transient gate-source overvoltages in silicon carbide MOSFET power devices
Xu et al. Integrated high-speed over-current protection circuit for GaN power transistors
US8456198B2 (en) Radiation tolerant complementary cascode switch using non-radiation hardened transistors
Sun et al. Design and experimental demonstration of integrated over-current protection circuit for GaN DC–DC converters
RU74533U1 (en) KEY SEMICONDUCTOR DEVICE
RU74534U1 (en) KEY SEMICONDUCTOR DEVICE
GB2053606A (en) Improvements in and relating to semiconductor switching circuits
RU74253U1 (en) KEY SEMICONDUCTOR DEVICE
CN116633341A (en) Potential conversion circuit of driving device
RU152692U1 (en) HIGH VOLTAGE POWER SEMICONDUCTOR DEVICE
US6061219A (en) Device for the protection of an electrical load and power supply circuit having such a 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: 20180112