Силовая электроника №1'2005

Быстродействующий каскодный ключ с полевым управлением

Олег Бономорский
Павел Воронин
Николай Щепкин


Быстродействующий каскодный ключ с полевым управлением.


Эффективность той или иной конструкции приборов силовой электроники может быть оценена величиной суммарных потерь мощности, приходящихся на единицу площади кристалла. В общем случае эти потери имеют следующие составляющие:

  • потери мощности во входной цепи ключа, или потери на управление;
  • статические потери мощности, или потери в проводящем и блокирующем состоянии ключа;
  • динамические потери, или потери в переходном процессе переключения.

Таким образом, суммарные потери мощности могут быть определены следующим выражением:

 

PΣ = Рупр + Рст + Рдин

 

Задача оптимизации величины РS относительно успешно решается только в случае комбинирования отдельных структур прибора в единую конструкцию, при условии, что каждая из структур является оптимизированной по конкретной составляющей и обеспечивает минимальный вклад в суммарную мощность.

Одним из вариантов построения оптимальных структур является схема каскодного ключа, состоящая из последовательно включенных высоковольтного и низковольтного элементов структуры. Высоковольтный элемент обеспечивает блокирующие свойства ключа при минимальных токах утечки, а также минимальные остаточные падения напряжения при заданной плотности тока. Низковольтный элемент структуры «отвечает» за оптимальную динамику переключения при минимальных потерях в цепи управления.

Чтобы удовлетворить заданным требованиям, высоковольтная часть структуры должна обладать биполярным механизмом токопереноса, обеспечивающим соответствующее накопление носителей и модуляцию проводимости канала. Кроме того, для снижения потерь на дополнительное управление необходимо, чтобы высоковольтный элемент представлял собой нормально-открытую структуру, обеспечивающую проводимость тока даже при нулевом потенциале на затворе. При этом очевидно, что механизм управления подобной структурой по затвору в случае транзисторного варианта может быть только полевым. Что касается низковольтной составляющей, то при максимальных значениях ее блокирующей способности, не превышающих 100 В, наиболее близким к идеальному варианту является транзисторная ДМОП-структура с поликремниевым затвором.

Необходимым дополнением к указанным свойствам должно быть требование совместимости обеих структур в единой конструкции прибора, то есть высоковольтный элемент должен обеспечивать отсечку относительно больших внешних потенциалов на низковольтной части структуры в блокирующем и переходном состояниях. В свою очередь, переключение низковольтного транзистора должно приводить к эффективному накоплению и рассасыванию носителей в базовых областях основного силового элемента.

Таким образом, наиболее совершенной структурой каскодного ключа с точки зрения оптимизации удельных суммарных потерь мощности является последовательное соединение нормально-открытого униполярного транзистора (унитрона), обладающего механизмом модуляции внутренней проводимости (подобную структуру имеют, например, тиристор с электростатическим управлением ТЭУ и индукционный тиристор ИТ), и низковольтного МДП-транзистора (рис. 1).

Следует, однако, обратить внимание на тот факт, что с ростом тока нагрузки в приведенной схеме ключа наблюдается эффект отрицательной паразитной обратной связи по напряжению, обусловленный снижением эффективности управления униполярным транзистором при увеличении потенциала на стоке МДП. Этот эффект приводит к значительному уменьшению эквивалентной крутизны униполярного транзистора, что снижает показатель качества ключа в целом [1]. Существует несколько вариантов схемотехнических решений (рис. 2–4), компенсирующих влияние указанной обратной связи и примененных в известных разработках каскодных транзисторных структур [2, 3]. Во всех этих вариантах цепь затвора высоковольтного унитрона соединяется с общей шиной через дополнительный ключевой элемент пассивного (стабилитрон, диод) или активного (транзистор) механизма действия. Этот дополнительный элемент обеспечивает отключение цепи управления унитрона во включенном состоянии каскода и его замыкание на общую шину в переходном режиме выключения с последующим входом в состояние блокирования. Вариант со стабилитроном обладает существенным недостатком, связанным с его относительно высоким дифференциальным сопротивлением и низким быстродействием, что вызывает дополнительную динамическую перегрузку управляющего МДП-транзистора в переходном процессе выключения. Диодный вариант не обеспечивает эффективного перезаряда входной емкости унитрона и требует дополнительных цепей запуска в переходном процессе включения, перегружающих и без того уже достаточно сложную структуру ключа. Казалось бы, относительно идеальный вариант комплементарных транзисторов обладает тем существенным недостатком, что является совершенно незащищенным в режимах токовой перегрузки, поскольку не обеспечивает пути стекания накопленных носителей, что приводит к значительным всплескам перенапряжений на управляющем транзисторе и в дальнейшем фактически вызывает его выход из строя.

Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4

Авторами статьи предложено оригинальное решение, основанное на применении в качестве дополнительного элемента n-канального МДП-транзистора, переключаемого потенциалом, наведенным в стоковой цепи аналогичного управляющего МДП-транзистора (рис. 5). Это решение обеспечивает не только требуемый механизм переключения каскодной структуры, но и приводит к автоматическому включению дополнительного МДП-транзистора в случае токовой перегрузки в ключе.

Рис. 5

Проводилось исследование динамических характеристик предложенной структуры каскодного ключа при работе на индуктивную нагрузку в случае непрерывного тока.

Для сравнительной оценки эффективности различных вариантов схемных решений исследовались функциональные аналоги (с форсирующей емкостной цепочкой), один из которых являлся вариантом предложенного изобретения (рис. 6а), а другой в качестве элемента компенсации содержал неуправляемый диод (рис. 6б). Результаты исследований представлены на осциллограммах рис. 7, 8 для первого варианта и рис. 9, 10 — для второго. Основные динамические параметры и значения энергий потерь при переключении приведены в таблице 1.

Рис. 6
Таблица 1

Результаты испытаний позволяют говорить о наличии так называемого эффекта «квазирегенерации» для двухтранзисторного аналога, обусловленного ускоренным перезарядом входной емкости высоковольтного унитрона за счет механизма переключения, свойственного рассматриваемой структуре, что приводит к существенному снижению потерь энергии на включение.

Наличие встроенного антипараллельного диода в структуре дополнительного МДП-транзистора (рис. 5) обеспечивает эффективный перезаряд входной емкости унитрона через этот диод и включенный управляющий МДП-транзистор без дополнительных цепей запуска, что существенно упрощает структуру ключа, оставляя в ней только полупроводниковые транзисторные элементы. Эффективность этого решения подтверждается исследованиями предложенной структуры. Соответствующие осциллограммы представлены на рис. 11, 12, а расчетные параметры указанных испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2

Полученные результаты позволяют говорить о создании относительно высоковольтного (до 1200 В) и сильноточного (до 100 А) ключа с улучшенными динамическими показателями, способного заменить соответствующие по классу напряжения транзисторы МДП и IGBT. Очевидный интерес представляет сравнительный анализ эффективности указанных функциональных аналогов, результаты исследования которых будут опубликованы в следующих номерах журнала.

Литература

  1. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение. М.: Додека — XXI. 2001.
  2. Бономорский О. И., Воронин П. А. Полупроводниковое ключевое устройство с полевым управлением. Патент РФ на изобретение № 2199795. Опубл. 27.02.2003. Бюл. № 6.
  3. Патент США № 5323028. Кл. 257/136. Опубл. 21.06.94.

 

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_01_42.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо