ОБОЗНАЧЕНПЕ MOSFET С ЭКВИВАЛЕНТНЫМ к ДИОДОМ СТОК-ИСТОК

G О-

- 02

SCR 2 ЭКВ. СХЕМА ТРАНЗИСТОРА

Rb

MOS с ПАРАЗИТНЫМ БИПОЛЯРНЫМ А. ТРАНЗИСТОРОМ

Q3 MOS SC-R ЭКВИВЛЛЕ11П1АЯ СХЕМА

.Rbe

Рис. 2.47 Эквивалентные схемы полевого тиристора.

потребовалось бы увеличить напряжение аккумулятора на 30%, чтобы получить тот же ток, что и при использовании GEMFET.

Дополнительным преимуществом GEMFET является также его средняя стоимость, более низкая, чем у МДП транзисторов. Главной составляющей стоимости является срок службы. Т.к. GEMFET управляет плот- ностями токов по крайней мере в 5 раз большими, чем МДП транзистор можно использовать GEMFET с более коротким сроком службы.

Полевой тиристор. Новая тиристорная технология

с момента создания МДП тиристора, разработчики схем теперь имеют прибор, обладающий очень высоким входным импедансом и быстрым включением как у МДП транзистора, а также стадией регенерации, свойственной тиристорам, соответственно, символиче-

ски прибор изображается как комбинация двух технологий, как это показано на рис. 2.46.

МДП тиристор был разработан иэ вертикального МДП транзистора, в котором подложка типа N-)- была заменена на материал Р+. Т.о. была получена четы-рехслойная структура, включающая в себя двухтранзи-сторный аналог тиристора, управляемый N канальным

Рис.2.46 Обозначение полевого тиристора

{1/4)МС14001

+ 15 V

R6 ЛЛЛг

120 V 60 №

мог SCR

G(pk)

rth 0--vw

Puc. 2.48 Драйверы полевого тиристора

Условия:

10 V/Div

t 100 Hs/Div

10 чту

20f/Div

Rl 100

Уош 10 чту

10 f/ iv

Rl 10 к

VOCIOS 10 f/DIv

10 f/Dlv

20 V/Div

Rt 100 к

МДП транзистором. Денная аволюция покааана н рис. 2.47, где р аттм мвиваявнтныв схемы подводят к комфигурвцим МДП тиристора.

Отметим, что рис. 2.47 содержит р-п-р транзистор Q1 и паразитный транзистор п-р-п Q2, которые составляют тиристорную структуру, 8 также МДП транзистор, шунтируюи<ив транзистор 03.

Процесс включения начинается при включении полевого прибора Q3 от положительного импульса источника затвор-катод VGT (иди Veaon)- В результате ток стока являетсяГ базовым током Q1, который включает р-п-р транзистор. Как и в обычном тиристоре, коллекторный ток Q1 поступает в базу Q2 и если выполняется условие положительной обратной связи (1+2)>1, начинается регенеративный процесс. Импульс на затворе при этом может быть отключен, а прибор при этом будет оставаться в открытом состоянии, пока основной ток не уменьшится ниже дырочного тока, т.е. до тока удержания.

Благодаря входному МДП транзистору, прибор обладает характеристикам, свойственными мощному МДП транзистору: высоким входным импедансом и быстрым включением, при этом он может управляться от стандартных КМОП схем.

Даже обладая высоким входным импедансом, для включения в течение десятков наносекунд цепь МДП приборов необходимо обеспечить достаточный ток для быстрого заряда (или разряда при выключении) входной емкости. Емкости затворок-исток и затворок-сток ( с учетом эффекта Миллера) необходимо перезарядить динамическими токами порвд>:а одного или половины ампера. В связи с этим несколько КМОП инверторов могут быть соеда1нены в параллель для обеспечения включения МДП тиристора, чтобы обеспё читъ заряд, его входной емкости 0>ис. 2.48}. Для примера одна стандартная КМОП схема (МС14001) ограничена током в 10 мА и при соеданении 3-х ее вентилей в параллель обеспечивает ток 30 мА, а также микросхемы буферного типа (МС14049) при соединении шести ее вентилей можно получить ток порядка 80мА.

Используя данные драйверы, можно обеспечить управление МДП тиристором в tiem переменного тока. В представленном примере ток затвора сграимчйи резистором R1, а резистор в 1{епи затвортод рассчитывается из пропорции, т.е. R1 - 100 и R2 - 1 к, или 1 - 10 к, а R2 - 100 к. или R1 - 100 к, а R2 -1 Мом. Ширина входного импульса оц>еделяется моментом, когда в MjJff\ тиристоре начинается процесс регенерации. Рисунки 2.4, в, с демонстрируют процесс йклкэчения для 3-х сопротивлений в цепи затвора. Во всех случаях напряжение анод-катод возвращается в исходное состояние до того, как тиристор полностью включается. Для сравнения, на рис. 2.50 приведены напряжения анод-катод с небольшой дяи-телъностыо входного импульса (срыа включения) и с

tnOOHs/Div

Рис. 2.49 Дшчраммы выключения паяевою тиристора.

20 /01

пуска

RllO К Ы

20 V/Div

После гюка

Рнс 2.50 Диаграммы напряжения анод-катод полевого тиристора

/ЮСТ точной длительностью. Кроме длительности входного имлулься е схемах переменного тока важное тчеиие имеет фазовая задержка импульсе управления. При недостаточной фазовой задержке в тиристоре не будет обеспечено условие регенерации.

Отметим, что чем ниже сопротивление ограничения в цепи затеорв, тем легче тиристору включится (меньше угол фазовой задержки). С другой стороны, чем шше ток источника входного сигнала, тем ниже уровень выходного напряжения, что требует высоких уровней выходного логического сигнала.

Высокий входной импеданс, однако, может приводить к проблеме dv/dt будь-то полевой, или бипо-пярный транзистор или тиристор. Емкость перехода (Cds на рис. 2.47) может при скачке напряжения поставлять ток во входную цепь прибора, и при достаточно быстром положительном скачке это может приводить к включению прибора. Для уменьшения эффекта dv/dt затвор МДП тиристора необходимо за-интировать внешним резистором (как это делалось для обычных тиристоров).

Этот резистор будет отводить часть тока от входной цепи, и чем меньше резистор, тем лучше эффект шунтировки при достаточно высокой блокирующей способности. Эта эффективность шунтировки показана графиком на рис.2.51. где для скачка 150 V была снята зависимость статистического значения критического dv/dt от величины резистора затвор-катод Rgk. Отметим, что при RtsK - 1кОм прибор блокировал скорость 150 v/s. а при Rgk - ЮкОм только 10 v/fts. Резистор 1 кОм е цепи затвор-катод обеспечивал также блокирующую способность прямого напряжения 600 В лри чвстоте 60 Гц.

Т.о. дяя оптимаяьного управления МДП тиристором:

1. Цепь затвора должна обеспечивать достаточную фазовую задержку (угол задержки).

2. Сопротивление затвор-катод должно быть относительно небольшим для улучшения блокирующей способности прибора.

Однако, шунтирующий резистор может разряжать входную емкость, увеличивая время Зидаржкм. Для предотвращени этого нсподьзуют схему рис. 2.52. тюрвЛ используется рграничиеающий резистор r, форе11Ц ующий конденсатор С и обратный ДИОД А Ро-аистор R является огрзни>А1ввющим в цепи затворе, ДИОД Д обеспечивает ниэкорезистивный комтур через небольшое сопротивление (R - 200 Ом) N канального транзистора КМОТ логики при низком выходном сиг-наяе дрера, а форсирующий конденсатор обеспечивает достаточную амплитуду входного тока дня уменьшения времени задержки включения МДП Пфистора лри достаточно узких импульсах управления мкс). Используя различные комбинации R (1 к 100 к) и конденсатора С (0,001 мкф + 0.01 мкф). но всегда с

1 а sae UC т i№

Щоц, Солротивавмие азтвор-катш

+15 V

mcr lobo

(1/4)MC1400I

1N914

150 V

150 V

Pue. 2Л Типовая зависимость стойкости к dv/dt полевого тиристора.

Рт2-52СхемадраШратяет>грч ристФра ! и диаграммы работы.

диодом, можно оптимизировать согласование КМОГ\ выхода со схемой.

Например, при R - 10к и С - 0,01 мкф были получены следующие времена:

время задержки td - 40 не

время включения (спада) tr - 80 не

В атом примере анодное напряжение ISO В. а скорость dv/dt - 150 В/мкс.

Анодное напряжение при резистивной нагрузке, а также ток для оптимальной схемы управления показаны на рис. 2.53а и 6. Отметим, что амплтудз тока затвора 40 мА огратмена собственными пврвметрами КМОП элемента.

Та же самая схема управления была использована для подключения нагрузки переменного тока при максимальном напряжении. В результате времена включения получены такими же как и для схемы на постоянном токе. Импуяье в цепь затвора подавался начиная с моменте перехода анодного напряжения через ноль. Типовое значение анодного напряжения для включения тиристора составляет порядка 15 В. т.о. аффективная ширина импульса управления для данной схемы составляет 240 мкс.

Для коммута!] тмристора использованы следующие параметры: Rqk ~ 1 кОм; 1тм - 3 А; dv/dt - 100 v/mkc.

Типовое время коммутации: tg - 6,0 мкс. Применение МДП тиристора

Следующие пмттры характеризуют МДП тиристор: высокий входной импеданс, быстрое включение, способность запирания.