автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов

На правах рукописи

005009017

БУКАШЕВ ФЕДОР ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на

квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 0ЕВ Ш

Великий Новгород - 2011

005009017

Работа выполнена в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Защита состоится 24 февраля 2012 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.168.07 Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого по адресу: 173003, г. Великий Новгород, ул. Большая Санкт-Петербургская, д. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета.

Автореферат разослан «<?О» января 2012 г.

Фомин Олег Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Рындин Евгений Адальбертович

кандидат технических наук, доцент Гареев Владимир Михайлович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Дагестанский

государственный технический университет», г. Махачкала

Учёный секретарь диссертационного совета

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогресс современных высокочастотных преобразователей электрической энергии связан с повышением удельных массогабаритных характеристик, повышением рабочих частот и снижением потерь в активных и пассивных компонентах. Снижение потерь энергии в преобразователях является одним из важнейших аспектов, определяющих их энергоэффективность. Существенный вклад в суммарные потери мощности преобразователей с низким выходным напряжением постоянного тока вносят потери в выходном выпрямителе. Для снижения этих потерь нашли применение управляемые выпрямители с МОП-транзисторами в качестве ключевых элементов.

К достоинствам современных управляемых выпрямителей на МОП-транзисторах можно отнести высокий к.п.д. при рабочих частотах до сотен килогерц. Недостатком данных выпрямителей является схемотехническая сложность, обусловленная применением специализированных схем управления. Схемы управления обеспечивают синхронизацию отпирания и запирания ключевых МОП-транзисторов и формируют требуемые уровни напряжений и токов для управления затвором. Другим недостатком использования МОП-транзисторов является высокая мощность потерь на переключение, пропорциональная рабочей частоте Известны также управляемые выпрямители на основе биполярных транзисторов. К достоинствам устройств можно отнести их меньшую схемотехническую сложность. Основные недостатки таких устройств - невысокий к.п.д. (не более 80%) и низкая рабочая частота (до 100 кГц).

Одним из перспективных полупроводниковых приборов, пригодных для создания и совершенствования управляемых выпрямителей, является биполярный статический индукционный транзистор (БСИТ). С точки зрения электрических характеристик БСИТ подобен биполярному транзистору. К числу достоинств БСИТ следует отнести также очень малое время выключения и высокую плотность тока на единицу площади

структуры (до 10 А/мм2). Важными качествами БСИТ являются низкое входное напряжение управления и малая входная диффузионная емкость, чем обусловливается малая мощность, необходимая для отпирания БСИТ. По проведенной оценке, при частотах выше 300 кГц мощность потерь на переключение у БСИТ ниже, чем у МОП-транзистора того же класса по напряжению и току. Учитывая перечисленные преимущества БСИТ, представляется актуальным разработка и исследование управляемых выпрямителей на их основе с низким выходным напряжением и рабочей частотой выше 300 кГц.

Целью 'работы является разработка и исследование управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе было необходимо решить следующие основные задачи:

-разработать модель БСИТ в виде электрической схемы замещения, адаптировать модель для использования в системах автоматизированного проектирования;

-исследовать различные режимы управления БСИТ и сформулировать предложения по оптимизации режимов;

-разрабЬтать методику проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ;

-экспериментально исследовать макеты управляемых выпрямителей на основе БСИТ.

Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

-разработана модель в виде электрической схемы замещения БСИТ, предназначенная для использования в системах автоматизированного проектирования;

-предложен и экспериментально исследован режим пропорционально-насыщенного управления БСИТ;

-разработана методика проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ в режиме пропорционально-насыщенного управления.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов:

-использование пропорционально-насыщенного управления БСИТ позволяет существенно снизить суммарные потри в БСИТ и в устройствах на их основе;

-использование разработанной электрической схемы замещения БСИТ позволяет с удовлетворительной точностью проводить автоматизированное проектирование устройств на их основе;

-разработанные и , исследованные макеты низковольтных высокоэффективных управляемых выпрямителей на основе БСИТ с пропорционально-насыщенным управлением демонстрируют к.п.д. более 90% при выходном напряжении от 2 до 3 В и рабочей частоте до 750 кГц.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Режим пропорционально-насыщенного управления биполярным статическим индукционным транзистором позволяет на 25-30% снизить суммарные потери в транзисторах и управляемых выпрямителях на их основе, по сравнению с режимом управления постоянным током базы.

2. Разработанная модель биполярного статического индукционного транзистора в виде электрической схемы замещения позволяет проводить автоматизированное проектирование устройств на их основе с погрешностью 5-10%.

3. Разработанная методика проектирования управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов в режиме пропорционально-насыщенного управления позволяет оптимизировать характеристики выпрямителей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

-конференции «Современные наукоемкие технологии», РАЕ, Москва, 2005 г.;

-конференции «Современные проблемы радиоэлектроники». Красноярск, КГТУ, 2005 г.;

-научно-технической конференциии преподавателей и студентов, НовГУ, Великий Новгород, 2005 г;

-VI Международном научном семинаре «Карбид кремния и родственные материалы», Великий Новгород, 2009 г.

Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано тринадцать научных работ, в том числе три статьи в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, два Свидетельства РФ на полезную модель.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка, приложений.

2 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации. Формируется цель работы и задачи исследований.

Первая глава является обзорной. Приводятся необходимые сведения о современном состоянии и достигнутых технических характеристиках управляемых (синхронных) выпрямителей. Определяются рамки исследования, конкретизируются задачи диссертационной работы. В главе проводится краткий анализ схемотехники современных управляемых выпрямителей на основе МОП-транзисторов и известных управляемых выпрямителей на биполярных транзисторах. Приводятся необходимые сведения о физике биполярных статических индукционных транзисторов, а также о прочих типах статических индукционных полупроводниковых приборов. Проводится сравнительный анализ параметров современных образцов МОП-транзисторов и БСИТ, определяется предпочтительная область применения БСИТ. В главе также анализируются различные известные электрические модели (схемы замещения) биполярных и полевых транзисторов, делается вывод о степени их применимости для описания характеристик БСИТ. Рассмотренные в данной главе вопросы позволили конкретизировать основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке электрической модели (схемы замещения) БСИТ. Проводится моделирование БСИТ с использованием модели Гуммеля-Пуна, анализируется точность полученного результата.

Основная задача главы заключается в разработке модели, оптимальной с точки зрения точности и вычислительной сложности. В главе подробно рассматривается разработка электрической модели БСИТ, этапы разработки методики измерения и идентификации параметров схемы замещения. Приводится оценка точности предложенной электрической схемы замещения.

В качестве примера использования модели биполярного транзистора Гуммеля-Пуна для описания характеристик БСИТ проводятся измерения статических вольтамперных характеристик выборки БСИТ КТ6127В и статистическая обработка результатов. По результатам измерения определяются значения параметров модели биполярного транзистора Гуммеля-Пуна. По результатам исследования данной модели определяется, что входные вольтамперные характеристики БСИТ КТ6127В аппроксимируются моделью Гуммеля-Пуна с погрешностью менее 5 %, передаточные характеристики - с погрешностью менее 10 % [6].

Рассчитанное по модели Гуммеля-Пуна напряжение насыщения во всех случаях оказывается немного ниже, чем измеренное на реальных приборах. Для повышения точности модели для определения тока коллектор-эмиттер БСИТ предлагается следующее уравнение

1 = 2

1+ 1 + 4-^--+ —-+ ВВ-

(1)

ЖГ 1КК 1КР ■ 1КИ

где ВР, ВЯ - коэффициенты передачи тока базы в нормальном и

инверсном режиме соответственно,

ЖР, 1КЯ - токи начала спада зависимости коэффициента передачи

тока от тока коллектора в нормальном режиме и тока эмиттера в

инверсном режиме соответственно, А,

ЫК- коэффициент, для БСИТ близкий к 0,6,

ВВ - параметр модели БСИТ.

Третье слагаемое в скобках в знаменателе (1) вв1г,-вр-1к:-ВЛ

отличает разработанную модель БСИТ от классической модели Гуммеля-Пуна. Введение этого слагаемого позволяет повысить точность моделирования остаточного напряжения БСИТ в режимах насыщения при нормальном и инверсном включениях. При этом входные и передаточные характеристики предлагаемой модели БСИТ в активном режиме не отличаются от вольтамперных характеристик модели Гуммеля-Пуна [2].

Измерение и идентификация параметров электрической схемы замещения БСИТ включает в себя несколько этапов.

На первом этапе измеряется статический коэффициент передачи тока эмиттера и коллектора при нормальном и при инверсном включении. При обработке результатов определяются параметры BF, IKF, BR, IKR и NK. Установлено, что статические коэффициенты передачи токов подвержены значительному разбросу, что-моделируется изменением параметров BF и BR. •

На втором этапе измеряется напряжение база-эмиттер при замкнутых выводах коллектор-эмитгёр в функции тока. При обработке результатов определяются параметры IS и NN.

На третьем этапе измеряется выходное напряжение насыщения коллектор-эмиттер и эмиттер-коллектор БСИТ в функции токов эмиттера и коллектора при различных отношениях тока базы к току эмиттера и коллектора. При обработке результатов определяются параметры ВВ, RE и RC и при известных значениях параметров BF, IKF, BR, IKR, NK, NN и IS.

На четвертом этапе измеряется напряжение' база-эмиттер при замкнутых выводах коллектор-база и напряжение база-коллектор при замкнутых выводах эмиттер-база в функции тока базы. Данное измерение является проверочным.

Показано, что разброс величин напряжений база-эмиттер и база-коллектор не превышает 3%. Этим подтверждается, что параметр IS крайне слабо подвержен влиянию технологического разброса. Установлено, что эти напряжения очень слабо зависят от изменения

значений параметров BF и BR, не зависят от значения ВВ и очень сильно зависят от значения NN.

Для оценки точности разработанной модели проведено измерение характеристик десяти БСИТ КТ698И. Предложена уточненная SPICE модель БСИТ, дана методика идентификации ее параметров. Предложен рациональный набор варьируемых параметров для моделирования статистического разброса характеристик. Показано, что разработанная модель обладает удовлетворительной точностью в активном режиме, в режиме насыщения, при нормальном и инверсном включении БСИТ.

На рисунке 1 приведена зависимость статического коэффициента передачи тока эмиттера БСИТ КТ698И.

1200

s

| 1000

Н. <°

¡К 8" 800

ь s

| I 600

200 0

Рисунок Д - Зависимость статического коэффициента передачи тока эмиттера КТ698И от тока эмиттера 1 - расчет; 2 - эксперимент - среднее значение; 3 - эксперимент - верхняя граница доверительного интервала надежности 0,95; 4 - эксперимент - нижняя граница доверительного интервала

надежности 0,95

На рисунке 2 приведена зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер БСИТ КТ698И при фиксированном отношении тока коллектора к току базы, равная десяти.

Ток эмиттера, А

Ток коллектора, А

Рисунок 2 - Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер КТ698И от тока коллектора, отношение тока коллектора к току базы 10 1 - расчет; 2 - эксперимент; 3 - модель Гуммеля-Пуна

На' рисунке 3 приведена зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер БСИТ КТ698И при фиксированном отношении тока коллектора к току базы, равная двадцати.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Ток коллектора, А

Рисунок 3 - Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер КТ698И от тока коллектора, отношение тока коллектора к току базы 20 1 - расчет; 2 - эксперимент; 3 -модель Гуммеля-Пуна

На рисунке 4 приведена зависимость напряжения насыщения база-эмиттер БСИТ КТ698И.

I ' I 1 г 1 1 I ' I ' I 1 ' I ' I ' | ' 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

Ток эмиттера, А

Рисунок 4 - Зависимость напряжения база-эмиттер КТ698И от тока

эмиттера 1 - расчет; 2 - эксперимент

Третья глава посвящена поиску и исследованию оптимального режима управления БСИТ, с точки зрения минимизации потерь мощности в цепи управления и цепи коммутации; разработке критериев выбора оптимального режима управления БСИТ; разработке и исследованию типовых схемотехнических решений, которые обеспечивают требуемый режим управления БСИТ; поиску частных схемотехнических решений применительно к проектированию низковольтных управляемых выпрямителей на основе БСИТ. Комплексное решение этих задач представляет собой разработку методики проектирования низковольтных управляемых выпрямителей на основе БСИТ с пропорционально-насыщенным управлением

Предлагается и исследуется режим «пропорционально-насыщенного» управления БСИТ на основе объединения непосредственного измерения напряжения коллектор-эмиттер и регулировки тока базы. Ток базы ключевого БСИТ связывается линейной зависимостью с напряжением коллектор-эмиттер БСИТ, . при этом имеет место линейность напряжения

коллектор-эмиттер БСИТ по отношению к току коллектора. Этот режим управления позволяет поддерживать глубокое насыщение БСИТ и контролировать протекающий через ток, тем самым повышается к.п.д. устройства за счет уменьшения тока потребления ключа при уменьшении коммутируемого тока [4]. Измеренная и расчетная вольтамперная характеристика БСИТ КТ698И в режиме «пропорционально-насыщенного» управления приводится на рисунке 5. Показано, что потери мощности в БСИТ при пропорционально-насыщенном управлении меньше, чем при управлении постоянным током базы.

Рисунок 5 - Вольтамперная характеристика БСИТ КТ698И при пропорционально-насыщенном управлении 1 - напряжение коллектор-эмиттер (эксперимент); 2 - напряжение коллектор-эмиттер (расчет); 3 - ток базы (эксперимент)

Эффективность управляемого выпрямителя может быть оценена при помощи суммы потерь в транзисторе и схеме управления как величины, характеризующей тепловыделение схемы:

Р^,™=1с-Гсе+{1ь+1уУЕу, (2)

где 1С - ток коллектора, А,

¥се - напряжение коллектор-эмиттер, В,

1ъ — ток базы, А,

1У - ток источника питания схемы управления, не протекающий через базуБСИТА,

Еу - напряжение питания схемы управления, В.

Для характеристики эффективности управляемых выпрямителей предложен критерий - эквивалентное (фиктивное) напряжение управляемого выпрямителя, равное напряжению на выпрямительном элементе, выделяющем при равном среднем выходном токе равную тепловую мощность.

где 1вЬ1Х - выходной ток управляемого выпрямителя, А, Уж - входное напряжение управляемого выпрямителя, В, Увых - выходное напряжение управляемого выпрямителя, В, 1У - ток потребления управляемого выпрямителя, А. Последний критерий лежит в основе методики проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ.

Нами был исследован ряд макетов управляемых выпрямителей [3]. Схема одного из вариантов макетов приведена на рисунке 6.

(3)

вых

\Л 1

Вход

Общий

Рисунок 6 - Схема макета управляемого выпрямителя на основе БСИТ

Входное напряжение 2,0 В является нижним рабочим напряжением данного макета управляемого выпрямителя.

На рисунке 7 приведены графики, полученные в результате компьютерного моделирования схемы управляемого выпрямителя с использованием модели БСИТ при выходном напряжении 2,0 В, а также результаты измерений характеристик макета.

Рисунок 7 - Зависимость эквивалентного напряжения управляемого выпрямителя от отношения тока коллектора к току базы 1 - выходной ток 0,2 А; 2 - выходной ток 0,4 А;

3 - выходной ток 1,0 А; графики - расчет; точки - эксперимент

Методика проектирования и оптимизации управляемых выпрямителей на основе БСИТ включает следующие этапы.

На первом этапе задаются исходные данные для проектирования, в том числе выходное напряжение и диапазон изменения выходного тока.

На втором этапе проводится расчет с целью определения отношения тока коллектора к току базы БСИТ по критерию минимума эквивалентного падения напряжения управляемого выпрямителя.

Эксперимент и компьютерное моделирование показывают, что эквивалентное падение напряжения управляемого выпрямителя имеет слабо выраженный минимум. Для диапазона выходных токов от 0,2 до 1,0 А минимум эквивалентного падения напряжения наблюдается при отношении тока коллектора к току базы в диапазоне 35-65.

На третьем этапе рассчитывается оптимальное отношение тока базы к напряжению насыщения коллектор-эмиттер БСИТ. В рассмотренном примере это отношение составляет от 50 до 140 мА/В.

На четвертом этапе производится расчет параметров тех элементов схемы, которые задают режим работы БСИТ. В рассматриваемом примере это сводится к выбору номинала резистора обеспечивающего необходимое отношение тока базы к напряжению насыщения коллектор-эмиттер БСИТ УТ1; сопротивление резистора составило 7,5 Ом, что соответствует отношению тока базы БСИТ \ГГ1 к напряжению коллектор-эмиттер 133мА/В. К.п.д. исследованного макета управляемого выпрямителя превышает 90%.

На' рисунке 8 приведена типовая осциллограмма входного и выходного напряжений макета управляемого выпрямителя.

Время, мкс

Рисунок 8 - Осциллограмма входного и выходного напряжения управляемого выпрямителя (750 кГц, напряжение 2 В, нагрузка 1,9 Ом) 1 - входное напряжение; 2 - выходное напряжение

На рисунке 9 приведена типовая осциллограмма выходного тока и тока потребления макета управляемого выпрямителя.

Время, мкс

Рисунок 9 - Осциллограмма тока нагрузки и потребления управляемого выпрямителя (750 кГц, напряжение 2 В, нагрузка 1,9 Ом) 1 - ток потребления; 2 - ток нагрузки

В таблице 1 приведены характеристики макета управляемого выпрямителе при выходном напряжении 2 В. Значения выходной мощности и составляющих мощности потерь являются средними за период.

Таблица 1 - Выходное напряжение 2,0 В, частота 750 кГц

Выходной Выходная Мощность Мощность К.п.д., Эквива-

ток, А, мощность, Цепи цепи % лентное

действ. мВт коммута- управления, напряже-

значение ции, мВт мВт ние, В

0,535 527,8 49,2 9,15 90,0 0,109

0,772 777,5 104,9 13,7 86,8 0,154

1,036 1011,5 178,8 24,6 83,3 0,196

На рисунке 10 представлены графики зависимости коэффициента полезного действия макета управляемого выпрямителя от выходного тока при выходном напряжении 2 В.

92,5-

| S5 90,0 -8 5"

§ I 87,5 -го t i-i

>• g. 85,0 -

с ш 82,580,0-

Рисунок 10 - Зависимость коэффициента полезного действия управляемого выпрямителя от тока нагрузки, частота 750 кГц, выходное

напряжение 2,0 В 1 - расчет; 2 - эксперимент

В таблице 2 приведены характеристики макета управляемого выпрямителя при выходном напряжении 3,0 В.

Таблица 2 - Выходное напряжение 3,0 В, частота 750 кГц

Выходной Выходная Мощность Мощность К.п.д., Эквива-

ток, А, мощность, цепи цепи % лентное

действ. мВт коммута- управления, напряже-

значение ции, мВт мВт ние, В

0,405 617,0 28,2 19,7 92,9 0,118

0,790 1171,8 101,5 34,3 89,6 0,171

1,161 1685,5 211,7 40,1 87,0 0,216

*

1

0,6 0,8 1,0 Ток нагрузки, А

На рисунке 11 представлены графики зависимости коэффициента полезного действия макета управляемого выпрямителя от выходного тока при выходном напряжении 3,0 В.

95,0

85,0 -I-1-1-\-1-1-1-(-1-

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Ток нагрузки,А

Рисунок 11 - Зависимость коэффициента полезного действия управляемого выпрямителя от тока нагрузки, частота 750 кГц, выходное

напряжение 3,0 В 1 - расчет; 2 - эксперимент

Показано, что расчетные характеристики макета управляемого выпрямителя удовлетворительно согласуются с результатами измерений.

В заключении работы сформулированы выводы и изложены основные результаты, полученные в диссертации.

3 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показана актуальность разработки управляемых выпрямителей для низковольтных источников вторичного электропитания. Показана целесообразность разработки низковольтных управляемых выпрямителей на основе БСИТ с рабочими частотами более 400 кГц.

2. Предложен и исследован режим пропорционально-насыщенного управления БСИТ.

3. Разработана модель в виде электрической схемы замещения БСИТ, предназначенная для использования в системах автоматизированного

проектирования. Разработана методика идентификации параметров электрической схемы замещения БСИТ.

4. Разработана методика проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ в режиме пропорционально-насыщенного управления, позволяющая оптимизировать характеристики выпрямителей.

5. Разработано и исследовано несколько вариантов схем управляемых выпрямителей. Проведены измерения характеристик макета управляемого выпрямителя на основе БСИТ КТ698И с пропорционально-насыщенным управлением, установлена .работоспособность макета при входном напряжении от 2,0 до 3,0 В на частотах до 75Q кГц. Коэффициент полезного действия исследованных макетов составляет более 90%. Показана возможность 'микроэлектронной реализации управляемых выпрямителей на основе БСИТ.

Список публикаций по теме диссертации.

В журналах Перечня ведущих рецензируемых журналов и изданий

1) Букашев, Ф.И. Биполярные транзисторы со статической индукцией с пропорционально-насыщенным управлением в устройствах силовой электроники / Ф.И. Букашев, О.Г. Фомин, A.B. Байбузов, А.Ю. Смирнов // Вестн. Новг. гос. ун-та. - 2006. - № 39. - С. 5-8.

2) Букашев, Ф.И. SPICE-модель биполярного статического индукционного транзистора / Ф.И. Букашев // Известия вузов. Электроника. - 2009. - № 5. - С. 15-21.

3) Шахмаева, А.Р. Разработка управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов / А.Р. Шахмаева, Ф.И. Букашев // Известия вузов. Электроника. - 2009. - № 6. - С. 16-21.

Свидетельства РФ на полезную модель

4) Транзисторный ключ': свид. на полезную модель № 24758 Рос. Федерация : МПК7Н03К17/08 / Букашев Ф.И., Петров Р.В., Бичурин М.И., Байбузов A.B., Смирнов А.Ю. ; заявитель и патентоЬбладатель Букашев Ф.И.- 2002102371/20 ; заявл. 28.01.2002, опубл 20.08.2002. Бюл. № 23.

5) Преобразователь переменного напряжения в постоянное : свид. на полезную модель 25818 Рос'. Федерация : МПК7Н02М7/217 / Букашев Ф.И., Петров Р.В., Смирнов А.Ю. ; заявитель и' патентообладатель Букашев Ф.И.- 2002107569/20 ; заявл. 01.04.2002, опубл. 20.10.2002 Бюл. № 29.

Публикации в других изданиях

6) Букашев, Ф.И. Математические модели биполярных транзисторов и полевых транзисторов с управляющим р-n переходом и оценка их применимости для описания биполярных транзисторов со статической индукцией / Ф.И. Букашев, М.И. Бичурин, В.М. Петров - М., Деп. в ВИНИТИ 29.05.2002, № 959-В02.

7) Букашев, Ф.И. Проектирование защищенных ключей на основе БСИТ с «пропорционально-насыщенным» управлением / Ф.И. Букашев,

A.B. Байбузов, А.Ю. Смирнов // Схемотехника. - 2003. - №5. - С. 28-29.

8) Букашев, Ф.И. Применение БСИТ с «пропорционально-насыщенным» управлением в низковольтных высокоэффективных выпрямителях / Ф.И. Букашев, A.B. Байбузов, А.Ю. Смирнов // Схемотехника. - 2003. - №6. - С. 19-20.

9) Букашев, Ф.И. Повышение точности электрической схемы замещения биполярного транзистора со статической индукцией в режиме насыщения / Ф.И. Букашев, A.B. Байбузов, А.Ю. Смирнов, М.И. Бичурин,

B.М. Петров // Тезисы докладов аспирантов, соискателей, студентов XII научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. -Великий Новгород, 2005. - С. 138-139.

10) Букашев, Ф.И. Разработка устройств силовой электроники на основе биполярных транзисторов со статической индукцией / Ф.И. Букашев, М.И. Бичурин, В.М. Петров // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. - С. 464469. •

11) Бичурин, М.И. SPICE- модели биполярных транзисторов .со статической индукцией [Электронный ресурс] / М.И. Бичурин, Ф.И. Букашев, В.М. Петров // Заочная электронная конференция

«Современные наукоемкие технологии» 15-20 февраля 2005 г. - Режим доступа': http://www.rae.ru/zk/arj/2005/02/Bichurin.pdf/ - 10.01.2010.

12) Букашев, Ф.И. Моделирование биполярного транзистора со статической индукцией / р.И. Букашев, О.Г.Фомин, A.B. Байбузов, А.Ю. Смирнов // Вестн. Новг. гос. ун-та! - 2008. - С. 2Г4.

13) Букашев, Ф.И. SPICE-модель биполярного статического индукционного транзистора / Ф.И. Букашев, A.B. Байбузов // Карбид . кремния и родственные материалы: Сборник материалов 6-го международного семинара. - Великий Новгород, 2009. - С. 214-216.

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ЯРОСЛАВА МУДРОГО

БУКАШЕВ ФЕДОР ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА, И ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук _

Лицензия ЛР № 020815 от 21.09.98 Подписано в печать xx.xx.10. Бумага офсетная Формат 60x84 1/16. Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,2.Тираж 100 экз. Заказ № 2. Издательско- полиграфический центр Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41.

Отпечатано в ИПЦ НовГУ им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41.

61 12-5/1704

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ЯРОСЛАВА МУДРОГО

Экз. №

На правах рукописи

БУКАШЕВ ФЕДОР ИГОРЕВИЧ

УДК 621.382

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент О.Г.Фомин

Великий Новгород 2011

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ....................................7

1.1 Технические характеристики современных управляемых выпрямителей........................................................................................................................У

1.2 Биполярные статические индукционные транзисторы.........................15

1.3 Обзор моделей биполярных и полевых транзисторов...........................27

1.4 Выводы. Постановка задачи исследований..................................... 37

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ.................................................................................. 39

2.1 Способы построения электрической модели биполярных статических индукционных транзисторов.............................................. 39

2.2 Разработка электрической модели биполярных статических индукционных транзисторов........................................................................................................................42

2.3 Разработка методики измерения и идентификации параметров электрической модели биполярных статических индукционных транзисторов..............................................................................................................49

2.4 Экспериментальное исследование электрической модели биполярных статических индукционных транзисторов..............................54

2.5 Выводы......................................................................................................................................^

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ

ТРАНЗИСТОРОВ....................................................................................... 67

3.1 Режим пропорционально-насыщенного управления

биполярными статическими индукционными транзисторами...................67

3.2 Экспериментальное исследование режима пропорционально-насыщенного управления биполярными статическими индукционными транзисторами................................................................. 73

3.3 Методика проектирования управляемых выпрямителей на

основе биполярных статических индукционных транзисторов.................78

3.4 Измерительный стенд и методика измерения характеристик макетов управляемых выпрямителей..........................................................

3.5 Экспериментальное исследование макетов управляемых выпрямителей на основе биполярных статических

индукционных транзисторов................................................................... 54

3.6 Рекомендации к проектированию интегральных управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов................................................................... 92

3.7 Выводы......................................................................................................................................................^^

Заключение...........................................................................

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................

Приложение А. Осциллограммы макета управляемого

выпрямителя на основе биполярного статического индукционного транзистора без режима пропорционально-

насыщенного управления.......................................................................

Приложение Б. Осциллограммы макета управляемого выпрямителя на основе биполярного статического индукционного транзистора с режимом пропорционально-насыщенного управления............................................................................ 120

! Введение

Прогресс современных высокочастотных преобразователей электрической энергии связан с повышением удельных массогабаритных характеристик, повышением рабочих частот и снижением потерь в активных и пассивных компонентах. Снижение потерь энергии в преобразователях являемся одним из важнейших аспектов, определяющих их энергоэффективность. Существенный вклад в суммарные потери мощности преобразователей с низким выходным напряжением постоянного тока вносят потери в выходном выпрямителе.

Б стремлении увеличить к.п.д. преобразователей энергии было предложено решение замены полупроводниковых диодов в выходном выпрямителе преобразователя на биполярные или полевые транзисторы. В настоящее время получили распространение синхронные (управляемые) выпрямители с МОП-транзисторами в качестве ключевых элементов.

Управляемые выпрямители на МОП-транзисторах обладают рядом достоинств. В первую очередь, вследствие хорошей освоенности технологии МОШгранзисторов, устройства демонстрируют высокий к.п.д. на весьма высоких рабочих частотах. В то же время, если управляющее напряжение затворов МОП-транзисторов оказывается выше, чем выходное напряжение управляемых выпрямителей, это требует применения специальных синхронизированных схем управления. Результатом этого и существенным недостатком данных управляемых выпрямителей с низким выходным напряжением является высокая схемотехническая сложность.

С конца 80-х гг. прошлого века известны схемотехнические решения управляемых выпрямителей на биполярных транзисторах. Наряду с достоинствами данные решения обладают рядом недостатков, в первую очередь недостаточно высоким к.п.д., ограниченной рабочей частотой и узкий!'диапазоном рабочих напряжений.

■: Одним из перспективных полупроводниковых приборов, пригодных для создания и совершенствования управляемых выпрямителей, является

биполярный статический индукционный транзистор (БСИТ). Принцип действия и первые экспериментальные образцы статических индукционных транзисторов были разработаны японским ученым Дзюн-ити Нисидзава (Дт-¡сЫ МБЫгау/а) в начале 1950-х годов [1]. Несмотря на отличие внутренней структуры, с точки зрения электрических характеристик БСИТ подобен биполярному транзистору, отличаясь от последнего существенно более высоким быстродействием, заметно меньшими потерями в цепи управления и в црпи коммутации, большей областью безопасной работы по причине отсутствия вторичного пробоя. Важными качествами БСИТ являются низкое входное напряжение управления и малая входная диффузионная емкость, чем обусловливается малая мощность, необходимая для отпирания БСИТ. По проведенной оценке, при частотах выше 300 кГц мощность потерь на переключение у БСИТ ниже, чем у МОП-транзистора того же класса по напряжению и току. Учитывая перечисленные преимущества БСИТ, представляется актуальным разработка и исследование управляемых выпрямителей на их основе с выходным напряжением от 2 до 3 В и рабочей частотой выше 300 кГц.

Целыо работы является разработка и исследование управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе было необходимо решить следующие основные задачи:

•разработать модель БСИТ в виде электрической схемы замещения, адаптировать модель для использования в системах автоматизированного проектирования;

-исследовать различные режимы управления БСИТ и сформулировать предложения по оптимизации режимов;

-разработать методику проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ;

-экспериментально исследовать макеты управляемых выпрямителей на основе БСИТ.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и приложений.

Научная новизна. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

-разработана модель в виде электрической схемы замещения БСИТ, предназначенная для использования в системах автоматизированного проектирования;

-предложен и экспериментально исследован режим пропорционально-насыщенного управления БСИТ;

-разработана методика проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ в режиме пропорционально-насыщенного управления.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

-конференции «Современные наукоемкие технологии», РАЕ, Москва, 2005 г.;

-конференции «Современные проблемы радиоэлектроники». Красноярск, КГТУ, 2005 г.;

-научно-технической конференциии преподавателей и студентов, НовГУ, Великий Новгород, 2005 г;

-VI Международном научном семинаре «Карбид кремния и родственные материалы», Великий Новгород, 2009 г.

Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано тринадцать научных работ, в том числе три статьи в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, два Свидетельства РФ на полезную модель.

| Глава 1. Современное состояние и перспективы

j развития управляемых выпрямителей

i 1.1 Технические характеристики современных управляемых выпрямителей

Актуальность использования управляемых выпрямителей Эффективным способом снижения энергопотребления цифровых устройств является снижение напряжения питания. Современным КМОП ИС требуется напряжение от 2,7 до 5,0 В, ИС интегрально-инжекционной логики (И Л) ¡работают при напряжениях вольт-полтора. Для дешевых, надежных и быстродействующих силовых полупроводниковых диодов при токах в единицы ампер падение напряжения в открытом состоянии составляет около 0,6 В,: для диодов Шоттки - 0,3-0,4 В. При низких напряжениях питания

! ; I -

нагрузки потери мощности в диодах становятся сравнимыми с мощностью нагрузки. По этой причине, первоначально были разработаны не управляемые выпрямители, а синхронные понижающие и повышающие конверторы (synchronous step-down and step-up converters) [2].

;f Пионером данного направления явилась компания Linear Technology Inc., в&пустившая первые микросхемы синхронных конверторов LTC1148 и LTC1158 [3]. Особенностью этих микросхем являлся переход в пакетный режим при низких токах. Из более современных разработок можно отметить микросхему LTC3422 [4], которая обеспечивает повышение входного налрякения от 1 до 4,5 В с частотой до 3 МГц, к.п.д. при этом достигает 96%. 1' Компания Motorola, подключившись к разработке ряда компонентов для конвертеров с синхронным выпрямлением, стала осваивать другое направление в разработке схем управления, разработав микросхему МС33470 [5], Оптимизированную для питания микропроцессоров, что нашло отражение в дополнительных специализированных функциях МС33470.

Потери в полупроводниковом диоде определяются произведением номинального падения напряжения на ток диода, в то время как потери в

ч в

канале открытого МОП-транзистора определяются как произведение квадрата тока нагрузки на сопротивление канала. В схемах с синхронным выпрямлением используются коммутируемые МОП-транзисторы, которые заменяют прямой и, при его наличии, обратный диоды выпрямителя вторичной обмотки трансформатора преобразователя. Широкое распространение схем синхронного выпрямления обусловлено стремительным снижением стоимости МОП-транзисторов с одновременным снижением их сопротивления канала в открытом состоянии.

Режим синхронного выпрямления обеспечивает высокий к.п.д. и высокие удельные массогабаритные показатели высокочастотных преобразователей энергии. Высокие энергетические показатели достигаются в синхронных конверторах заменой возвратного диода Шоттки на управляемый МОП-транзистор. Ключи в традиционной схеме конвертора могу!'' иметь различную физическую реализацию, но в наиболее типичном случа? роль основного ключа выполняет полевой транзистор, а роль возвратного ключа высокочастотный диод Шоттки. При понижении выходного напряжения резко увеличиваются относительная величина потерь в возвратном диоде на интервале спада тока в индуктивности. В работе [6] подробно рассматриваются и количественно оцениваются преимущества заменк возвратного диода на МОП-транзистор.

В отличие от синхронных конверторов, управляемые (синхронные) вйпря;мители предназначены для выпрямления переменного напряжения, которое поступает с вторичной обмотки высокочастотного трансформатора источника вторичного электропитания. Данные условия применения налагают дополнительные требования к схеме управления силовыми ключами выпрямителя:

схема управления должна строго синхронизироваться в моменты

' ; | изменения напряжения на вторичной обмотке;

схема управления должна обеспечивать уровень напряжения и величину тока, достаточные для управления силовым ключом;

; > схема управления должна получать питание от выходного

; выпрямленного напряжения.

Достигнутые технические характеристики и преимущества управляемых

• • !

выпрямителей

Несмотря на то, что к.п.д. зачастую используется как основной энергетический показатель качества источников электропитания, пр'еим|ущества синхронного выпрямления становятся наиболее очевидными, если рассматривать потери мощности вместо к.п.д. Для примера, рост к.п.д. с 90 до 95% означает снижение потерь, а следовательно, и количества рассеиваемого тепла, вдвое. Уменьшение же рассеиваемой мощности позволяет в разных случаях или удешевить, или упростить систему охлаждения, уменьшить габариты источника электропитания, а также повысить его надежность за счет снижения общего перегрева.

Т|ак как потери в диодах определяются произведением тока на прямое падение напряжения, параллельное включение диодов не уменьшает рассеиваемую ими мощность, и при больших токах необходимы более мощике диоды. Напротив, потери МОП-транзистора определяются его сопротивлением, поэтому распределение тока между двумя одинаковыми транйсторами уменьшает общую рассеиваемую мощность вдвое. Положительный температурный коэффициент сопротивления канала МОП-тран!йстора также благоприятно сказывается на стабильности и надежности параллельной работы МОП-транзисторов. Разнообразие конструктивных

; I

вариантов исполнения МОП-транзисторов обеспечивает гибкость при

• !

проектировании устройств. В работе [7] отмечается, что с появлением маломощных контроллеров, МОП-транзисторов с малым сопротивлением во включенном состоянии и ферритов с малыми потерями, доминирующими потерями в низковольтных источниках питания являются в основном потери в выходных выпрямителях. Новые низковольтные МОП-транзисторы с малым сопротивлением канала создают более эффективную альтернативу традиционному выпрямителю на диодах Шоттки (ДШ) с перспективой

снижения стоимости системы. В статье рассмотрены ключевые вопросы в

проецировании выходного каскада выпрямителя на основе нового

: ! •

поколения МОП-транзисторов с низким сопротивлением канала и низким пороговым напряжением.

И ¡ООиН

О Уо

4* 01! Г-

Ч МРЬА56

¡■¡. 01,02,03 - ¡!?1ггоз$

-~—ЛЛ/Х—-

ззоТ "г*

$N"7400

¿N4148

; Рисунок 1.1- Функциональная схема синхронного выпрямителя : дискретных компонентах [7]

на

На примере данной схемы проведено измерение характеристик синхронного выпрямителя прямоходового источника вторичного электропитания с выходным напряжением 3,3 В. Рассмотрено применение в конструкции выпрямителя диодов Шоттки серии ОШгщ™ 30ВС>015 и МОП-транзисторов Н1Ь22(Ш. Экспериментально установлено, что применение МОП-транзисторов позволяет увеличить к.п.д. выпрямителя с 84 до 91%.

Цри рассмотрении источников питания с выходным напряжением менее 5 В, ; построенных без применения синхронного выпрямления, обнаруживается резкое снижение к.п.д., увеличивающееся по мере снижения выходного напряжения. Можно считать выходное напряжение в 5 В гранитным, ниже которого в большинстве случаев целесообразно

; !

применение синхронного выпрямления. Несмотря на существенное

I .

сокращение потерь, синхронное выпрямление с использованием МОП-

транзисторов не является идеальным решением для всех значений выходных

! i

напряжений и токов нагрузки. Во-первых, необходимо принимать в расчет потери на управление МОП-транзисторами, которые практически не зависят от ик- тока. Это обстоятельство ограничивает эффективность при низких

М

токах нагрузки. Во-вторых, с ростом рабочего напряжения сопротивление канала МОП-транзистора возрастает примерно пропорционально этому напряжению. В-третьих, в стандартных схемных решениях синхронного

выпрямления используются относительно сложные и дорогие интегральные

; i

микросхемы для управления МОП-транзисторами, что ограничивает экономическую целесообразность использования синхронного выпрямления. Схемотехника современных управляемых выпрямителей В; настоящее время многие крупные производители серийно выпускают микросхемы схемы управления или предлагают готовые решения для создания синхронных выпрямителей. Целесообразно рассмотреть решения компаний International Rectifier IR1176 [8] и Fairchild Semiconductors SG6203

т.

Микросхема IR1176 драйвер синхронного выпрямителя. IR1176 представляет собой КМОП к