Способ выключения транзисторов

 

Изобретение относится к радиотехнике и преобразовательной технике и мохет быть использовано для управления ключевым режимом биполярных фанзисторор. Целью изобретения является повышение быстродействия и снижение мощност; G цепях управления. Способ выключения тоаг.-2 зисгоров основан на использовании явленияуправляемого лавинного разряда на пере х с л: е э м м т т е п - б а з а . В результате дополнения диффузионного механизма вывода носителей из областей структуры транзистора дрейфовым механизмом происходит ускорение протекания всех стадий процесса выключения, в том числе нарастания коллекторного напряжения и спада тока коллектора, что клпОстее в г я: но для уменьшения потерь при Нп1к ючет;и. Cy.CTtiei - но ослабляются yciouiv- озни .иесия обратного пообоя по сровнен .о С ГрадИЦИОН - Ы С ОС:- / : J3G Ле IUi4 трянзисгорг и по .:. ;ме с . рем ,-1 у: л1 - И&аетс скооос п о с. : вне к и ;о си с п о . о б сразмы;- ; нем tiOiin эмиттв( - фектипны чысоконо -. ш-ч; роист Е. -. psfjc тзющи1Э на индуктивную ivrpyaK/ :; . njfiK iPHHbix частотах коммутации . I и.г; flLii Г- - МИТ I 0- и гь:К 1{;,;и -:иЯ , ;-. HI.) с 0;:оЬеннс Ф- клю - вые 1C

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s>>s Н 01 29/73

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4763184/25 (22) 29,11.89 (46) 30.12.91. Бюл. ¹ 48 (71) Нижегородский научно-исследовательский институт радиосвязи (72) А. M. Еськин и А, В, Тугов (53) 621.382(088,8) (56) Николаевский И. Ф„Игумнов Д. В. Параметры и предельные режимы работы транзисторов. — M.: Сов. радио, 1971,:. 26, Патент США ¹ 3781638, кл, 321/14, 1978. (54) СПОСОБ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОPGB (57) Изобретение относится к радиотехнике и преобразовательной технике и мо><ет быть использовано для управления ключевым режимом биполярных транзисторов.

Целью изобретения является повышение быстродействия и снижение мощности в цепях упоавления. Способ выключения. транИзобоетение относится к радиотехнике и преобразовательной технике» мо <ет быть использовано для управления ключевым режимом работы полупроводниковых приборов с поперечным располо>кением управляющих р-l1-переходов относлтельно направления основного тока, например биполярных транзисторов.

Наиболее ответственным этапом периодического процесса переключения транзистора является этап выключения. особенно при индуктивном характере нагрузки, поскольку в это время на транзисторе выделяется большое напряжение при большом токе и, кроме того. происходит динамиче,, БА2, 1702457 А1 зистооов основан на использовании явления управляемого лавинного разряда на переходе эмиттер-база. В результате дополнения диффузионнOго механизма вывода носигелей из областей структуры транзистора дрейфовым механизмом происходит ускорение протекания всех стадий процесса вь.ключения, в том числе нарастания коллекторного напряжения и спада тока коллектооа, что наиболее важно для уменьшения"потерь при вык . счении. Существе>но ослабляк>тся услови возни:,-говения обратного вторичного оробея по сравнен.: ю с †.радициончы"- с. ос; бом,поавления транзисторами по сх ме с общлм эмит>epoi и увел»чивается сКоосс-ü вь.ключения по сравнению со сп; обо";, . рав.;;.н»я с размыка ием цепи эмиттеpãR. особенно э1>фектив: ы высоковольгнь е ключевые устройств;-. работа ющие на индуктивную нагГузку прл говь:.;;енных частотах коммутац»и. 2 ил. ская перес гройка структуры рас ределения ндкоп. ек ного во ькл o- он ном с:>cтоя >и:R ряда. ущность проце"са Blêë.o÷åí»ÿ Tj>BH зисуора сGñòOит R выводе избытoчных неосновнь>х нос телей электрическ го заряда из высокоомной области ксллек>ора (BOKj, а так>ке из облаете : акт»вной и пассивной база путем создания. ьыключающего базового ока. Из-:-э н зл»-.ия,оне >ного электр»ческо -о сог;рот»аления областей базы лри протекании выключающе-о базового тока вдоль поверхности управляюще-.î перехода эмиттер — база возникает градиент потенциала и центральные области эмиттера инжектир,ют сильнее, чем периферий1702457 ные, в резульгате чего происходит повышение плотности тока и напряженности электрического поля у подложки к<>ллектора над центром эмиттера. Это может привести кобратному вторичному пробою и является основным фактором, ограничивающим быстродействие транзистора гlpvi выключении, поскольку с увеличением выключаю!ц8го тока базы эффект усиливается, То >l<8 и роисходит и при повышении коммутируемого напряжения, Спосс б выключения транзистора с размыканием внешней цепи эмиттера в значительной степени устраняет указанный недостаток и поэволяег добитьсА повышения быстродействия, однако x-Iрактер движения носителей в базе остается длффузионным и максимальное быстродействие не достигается. Кроме того, дополнительный ключ в цепи эмиттера требует существенной мощности управления, поскольку этот ключ проводит полный ток эмиттера в течение всего времени включенного состояния транзистсра.

Цель изобретения — повышение быстродействия за счет ускорения процесса вывода лзбыточных H8ocHGBHI! < носителейл из

БОК и базы блполя рного транзистора, а та кже снижение мощности = цепях управления транзистором за с гет уменьшения времени их работы.

На фиг. 1 показана структура мощного биполярного высоковольтного транзистооа (МВБТ) и -р -n — n -типа.

Коллектор содержит в!8шний электрод

1, n — и переход 2, ВОК 3. переход 4 коллектор — база, активную базу 5, пассивную базу 6, электрод 7 базы, переход 8 эмиттер — база, центр 9 эмиттера, край 10 эмиттера, электрод 11 эмиттера, линию 12 выхода и:..—:рехода эмиттер — база на поверхность полyпроводника.

При выключенлл транзистора начиная с мсмента, когда напряжение на переходе 4 коллектор — база становится равным нулю, к переходу 8 эмиттер — база подключа(от источник обратного смещения, величина которого больше, чем напряжение лавинного пробоя этого перехода. Эа счет энергии источника обратного напряжения поддерживают лавинный обрат .ый ток 13 г:ерехода эмиттер — база HB уровне меньшем, чем ток

14 коллектора, например 0,1-0,5 от тока коллектора, до oKoí÷ànülÿ спада тока <сллектора, затем отключа(от обратное напряжение от перехода эми гтер — база, После подачи обратного напряженля указанной величины динамика носителей в транзисторе приобретает характер, существенно отличающийся оТ рассмотренных случаев. За счет протекания большого

10 выключающего тока 15 базы вдоль перехода

8 эмиттер — база обратное смещение на переходе увеличивается по мере удаления от центра 9 эмиттера к его краю 10, где оно оказывается достаточным для того, чтобы

NHviUNMpoB3Tb левинный пробой. Если мощность источника обратного напряжения достаточна для поддержания лавины. то данный пробой становится полностью управляемым, Это означает, что его можно как возбудить, так и погасить, причем и то, и другое в течение очень коротких промежутков времени — порядка времени диэлектрической релаксации в полупроводнике, т. е.

15 приблизительно 10 с. Таким образом, подбирая соответствующую величину управляющего обратного смещения, можно реализовать режим, когда лавинный пробой захватывает полуцилиндрическую область

20 16, располагающуюся в основном в активной 5 и пассивной 6 базах и имеющую осью линию выхода 12 перехода 8 эмиттер — база на поверхность полупроводника. Генерируемые лавинной p! Ipl

Наиболее существенным в этом процессе является то, что выводимые из ВОК 3 дырки i9 захватываются мощным полем

30 лавины 16, ускоряются им и с высокой скоростью дрейфуют к электроду 7 базы, Диффузионный механизм вь|вода дырок, таким образом, в значлтельнай степени заменяется дрейфовым, что приводит к существен35 ному уменьшению времени выключения, т. е. повышению быстродействия MBBT. (корость диффузии носителей в современных

МВБТ составляет 0,05 — 0,5 мкм/нс, поэ1 ому типичное время спада тока коллектора при

40 известных способах выключения равно приблизительноо 100 нс. Насыщенная скорость дрейфа носителей равна 60 мкм/нс, поэтому теоретически время спада тока коллектора для тех же транзисторов при дрейфовом

45 механизме вывода носителей, как в предлагаемом способе, может быть сниженс до единиц наносекунд.

В терминах внешних токов транзистора существенным является возникновение обратного тока 13 эмиттера, представляющего

50 собой электронную составляющую 18 тока лàвины, и увеличение на эту >ке величину выключающего тока 15 базы, соответствующего в то же время дырочной составляющей

17 тока лавины. Выключающий ток 15 базы

55 оказывается равным сумме тока 14 коллектора и тока 13 эмиттера. Несмотря на столь большую величину выкл)очающего базового тока средняя мощность цепей управления выключением согласно предлагаемому:по1702457

10 собу значительно снижается, поскольку цепь источника обратного напряжения перехода эмиттера-база проводит большой ток лишь в течение очень короткого времени выключения МВБТ, а втечение всего остального времени находится в непроводящем состоянии, Для осуществления предлагаемого способа требуются общеизвестные технические средства, устройства и приборы.

На фиг. 2 приведена структурная схема установки, с помощью которой были исследованы условия реализации предлагаемого способа выключения транзисторов.

Установка состоит из задающего генератора 20, схемы 21, задержки положительного фронта, предварительного 22 и оконечного 23 усилителей прямого тока. блока 24 резисторов, блока 26 питания, блока 27 резисторов нагрузки, блока 28 индуктивностей, блока 29 питания, усилителя 30 нелинейной отрицательной обратной связи

{H0OC); его блока 31 питания схемы 32 задержки, схемы 33 формирования длительности импульсов выключающего тока, предварительного 34 и оконечного 35 усилителей обратного тока, блока 36 резисторов, блока 37 питания, диода 38, емкостного накопителя 39, источника 40 питания, осциллографа 41, датчиков тока коллектора 42, базы 43 и эмиттера 44 и схемы 45 защиты МВБТ.

Установка работает следующим образом.

От задающего генератора 20 на схему

21 задержки поступает сигнал типа меандр, положительная полуволна которого усиливает предварительным 22 и оконечным 23 усилителями прямого тока и через блок 24 резисторов поступает на базу МВБТ 25, включая его. Величину прямого тока базы и степень насыщения МВБТ можно изменять подбором суммарного сопротивления блока

24 резисторов. Питается канал прямого тока от блока 26 питания. Нагрузочная цепь

МВБТ состоит из блока 27 резисторов, блока 28 индуктивности и блока 29 питания.

Подборбм сопротивления блока 27 можно изменять рабочий ток МВБТ. подбором соотношения параметров блоков 27 и 28 — угол индуктивной расстройки нагрузочной цепи.

Для вывода МВБТ из насыщения служит канал НО0С, состоящий из усилителя 30 и блока 31 его питания. На усилитель 30 сигнал поступает без задержки непосредственно от генератора 20, Канал выключающего базового тока МВБТ состоит из элементов 32 — 37, Отрицательный фронт сигнала генератора 20 через схему 32 задержки поступает на схему 33 формирования длительности импульсов выключающего то15

55 ка, которые усиливаются предварительным

34 и оконечным 35 усилителями. Величина выключающего базового тока МВБТ uзменяется при помощи блока 36 резисторов и блока 37 питания. Момент подключения обратного напряжения к переходу эмиттер— база через канал выключающего тока соответствует моменту, когда напряжение на переходе коллектор — база становится равным нулю. Величина обратного напряжения может изменяться путем изменения выходного напряжения блока 37 питания. Таким образом, можно установить величину обратного напряжения перехода эмиттер — база. превышающую напряжение лавинного оробоя этого перехода, и за счет энергии блока

37 питания поддерживать обратный ток перехода эмиттер — база на заданном уровне до окончания спада тока коллектора. После этого при помощи схемы 33 можно отклю чить обратное напряжение от перехода эмиттер — база.

Нарастание напряжения на коллекторе при выключении МВБТ ограничивается схемой на диоде 38, емкостном накопител» 39 и источнике 40 питания накопителя. По достижении напряжением коллектора уровня ограничения начинается спад тока коллектора. Осциллограммы токов коллектора. базы и эмиттера можно наблюдать на экране осциллографа 41 при помощи датчиков тока

42, 43 и 44 соответственно. Перехват тока коллектора с появлением признаков обратного вторичного пробоя осуществляется схемой 45 защиты.

Предлагаемая установка позволяет определить повышение быстродействия

МВБТ при выключении, а также уменьшение мощности цепей управления для всех типов МВБТ.

Формула изобретения

Способ выключения транзисторов, основанный на выводе избыточных неосновных носителей заряда из высокоомной области коллектора путем отвода их потока в область пассивной базы K базовому 3RBKтроду, отличающийся тем, что, с целью повыll)åíèÿ быстродействия:. сни>Kcния мощности в цепях управления. начиная с момента, когда напряжение коллектор — база становится равным нулю, к переходу эмиттер — база подключают обратное напряжение превышающее напряжение лавинного пробоя, при этом за счет энергии источника обратного напряжения поддерживают обратный ток перехода эмиттер— база меньшим тока коллектора до окончания спада тока коллектора, затем отключают обратное напряжение от перехода эмиттер — база.

1.02457

Составитель А.Еськин

Техред Я,Моргентал

Редактор Л.Пчолийская

Корректор Н, Ревская

Заказ 4548 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, К-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород,-ул,Гагарина 101