Способ выключения транзисторов

9) ) 5)с Н 0 29/(3 ИЕИ ЕТЕЙИ ОП РСКОМУ С ТЕЛЬСТВ К тель 1 а аботы2621/14,(54) СПОСОБ ВЫКЛЮ РОВ(57) Изобретение атн и и еоб азователь ИЯ ТРАНЗИСТОя к рад хни маж ключ технике и правления ых трднзи оро ТСЯ ПОВЬ е мощнос ыключения ние вце- транющега пеградиент и эмитте- риферийОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР(21) 4763184 (22) 29,11.89 (46) 30.12,91 (71) Нижего ский инстит (72) А. М, Ес (53) 621,382( (56) Никола раметры и транзисторПатвнт 1978. Бюл. М. 48родский научно-исследоут радиосвязиькин и А, В, Тугов088,8)евский И, ФИгумнов Дпредельные режимыов. - )У 1 Сов, радио, 1971США "ч". 3781638, кл, 3 осир р ной быть использовано для вым режимом биполяр Целью изобретения явл быстродействия и сниже пях упоавления, Способ Изобоетение относится к радиотехнике и преобразовательной технике и мажет быть использовано для управления ключевым режимом работы полупроводниковых приборов с поперечным распалокением управляющих р-п-переходов относительна направления основного тока, например биполярных транзисторов.Наиболее ответственным этапам 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 динамичезистооов основан на использовании явления управляемого лавинного разряда на перехсде эм)лттер-база. В результате дополнения диффузионного механизма вывода носигелей из областей структуры транзистора дрейфовым механизмом происходит ускорение протекания всех стадий процесса выключения, в там числе нарастания коллекторнога напряжения и спада тока коллектооа, что наиболее важна для уменьшения" потерь при в.-к счении. Суьцественно аслабляк)тся услави возни:.; Овения обратного втаричнсга прабся по сравнению с традиционны," способам,"паавления транзисторами па ме с абщлм эмит)ерам и увеличивается скооас-ь вь ключения по сравнениа са способа"; у-рав ния с размыка; ием цепи эмиттеГа, Особенна эФ- фективны высакаволь нь е ключевые устройства. работающие на индуктивную НаГРУЗКУ ПРл ГОВЫ.;ЕННЫХ ЧаСтстаХ Каь)МУ- тации. 2 ил. ская перес граика структуры распределения накопленного во ькл ю.аннам состоянии а- ряда. ущность праце"са выклочения транзистора состоит в выводе избыточных неоснавных настелей электрическ го заряда из высакаамнай области ксллек 1 ора (ВОК), а также из облаете,: активной и пассивной база путем создания. ьыключаюьцего базовогоОка. Из за н зличия канечОга электрического сог;ративления Областей базы при пратека)а выключающе-а база )аго тока вдаль поверхности управлярехода эмиттер - база возникаетные, в резульгате чего происходит повышение плотности тока и напряженности электрического поля у подложки коллектора над центром эмиттера. Это может привести кобратному вторичному пробою и является основным фактором, ограничивающим быстродействие транзистора при выключении, поскольку с увеличением выключаюгцего тока базы эффект усиливается, То ке происходитт и при повышении коммутируемого напряжения, Способ выключения транзистора с размыканием внешней цепи эмиттера в значительной степени устраняет указанный недостаток и позволяег добиться повышения быстродействия, однако характер движения носителей в базе остается диффузионным и максимальное быстродействие не достигается, Кроме того, дополнительный ключ в цепи эмиттера требует существенной мощности управления, поскольку этот ключ проеодит полный тс)к эмиттера в течение всего времени включенного состояния транзистсра.Цель изобретения - повышение быстродействия за счет ускорения процесса вывода избыточных неосновных носителегл из В О К и базы биполярного транзистора, а та кже снижение мощности в цепях управления транзистором за счет уменьшения времени их работы.На фиг, 1 показана структура мощного биполярного высоковольтного транзистооа (МВБТ) и -р - и - и -типа.Коллектор содержит внешний электрод 1, и - 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, линик) 12 выхода гн. - ;- )ехода эмиттер - база на поверхность полупроводника.При выключении транзистора начиная с мсмента, когда напряжение на переходе 4 коллектор - база становится равным нулю, к переходу 8 эмиттер - база подключают 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 на уровне меньшем, чем ток 14 коллектора, например 0,1-0,5 от тока коллектора, до окончания спада тока сллектора, затем отключают обратное напряжение от перехода эми гтер - база,После подачи обратного напряжения указанной величины динамика носителей в транзисторе приобретает харак гер, существенно отличающийлся от рассмотренных случаев, За счет протекания большого10 выключающего тока 15 базы вдоль перехода 8 эмиттер - база обратное смещение напереходе увеличивается по мере удаления от центра 9 эмиттера к его краю 10, где оно оказывается достаточным для того, чтобыинициировать 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, можнореализовать режим, когда лавинный пробойзахватывает полуцилиндрическую область20 16, располагающуюся в основном в активной 5 и пассивной 6 базах и имеющую осьюлинию выхода 12 перехода 8 эмиттер - базана поверхность полупроводника, Генерируемые лавинной дырки 17 дрейфуют к элект 25 роду 7 базы, генерируемые электроны 18 -к электроду 11 эмиттера,Наиболее существенным в этом процессе является то, что выводимые из ВОК 3дырки 19 захватываются мощным полем30 лавины 16, ускоряются им и с высокой скоростью дрейфуют к электроду 7 базы, Диффузионный механизм вывода дырок, такимобразом, в значительной степени заменяется дрей фовым, что приводит к существен 35 ному уменьшению времени выключения, т,е. Повышению быстродействия УВБТ. Скорость диффузии носителей в современныхМВБТ составляет 0,05 - 0,5 мкм/нс, поэ) омутипичное время спада тока коллектора при40 известных способах выключения равно приблизительно 100 нс, Насыщенная скоростьдрейфа носителей равна 60 мкм/нс, поэтому теоретически время спада тока коллектора для тех же транзисторов при дрейфовом45 механизме вывода носителей, как в предлагаемом способе, может бь 1 ть сниженс доединиц наносекунд.В терминах внешних токов транзисторасущественным является возникновение обратного тока 13 эмиттера, представляющего50 собой электронную составляющую 18 токалавины, и увеличение на эту ке величинувыключающего тока 15 базы, соответствующего в то же время дырочной составляющей17 тока лавины. Выклк)чающий ток 15 базы55 оказывается равным сумме тока 14 коллектора и тока 13 эмиттера, Несмотря на стольбольшую величину выключающего базовоготока средняя мощность цепей управлениявыключением согласно предлагаемому спо 170245710 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 НООС); 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 НООС, 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 то 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ка, которые усиливаются предварительным 34 и оконечным 35 усилителями, Величина выключающего базового тока МВБТ изменяется 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 к базовому электроду, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия: снижения 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.Фи я,Составитель А,Есьхин тор Л.Пчолийскэя Техред М,Моргентал тор Н Рвская Р Кор ям при ГКНТ ССС роиэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород,ул,Гагарина. Заказ В48ИПИ Госуда Тираж Подписновенного комитета по изобретениям и откры113035, Москва, К-:35, Раушская наб 4 У 5