Разработка и исследование управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Букашев, Федор Игоревич

• Букашев, Федор Игоревич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Букашев, Федор Игоревич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

1.1 Технические характеристики современных управляемых выпрямителей

1.2 Биполярные статические индукционные транзисторы

1.3 Обзор моделей биполярных и полевых транзисторов

1.4 Выводы. Постановка задачи исследований

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

2.1 Способы построения электрической модели биполярных статических индукционных транзисторов

2.2 Разработка электрической модели биполярных статических индукционных транзисторов

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

2.4 Экспериментальное исследование электрической модели биполярных статических индукционных транзисторов

2.5 Выводы

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

ТРАНЗИСТОРОВ

3.1 Режим пропорционально-насыщенного управления

биполярными статическими индукционными транзисторами

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

3.3 Методика проектирования управляемых выпрямителей на

основе биполярных статических индукционных транзисторов

3.4 Измерительный стенд и методика измерения характеристик макетов управляемых выпрямителей

3.5 Экспериментальное исследование макетов управляемых выпрямителей на основе биполярных статических

индукционных транзисторов

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

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов»

! 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 контроллер, предназначенный для управления прямым и возвратным N-канальными МОП-транзисторами в сильноточных и высокочастотных синхронных выпрямителях с выходным напряжением 5 В и ниже.^Входные триггеры Шмита, синхронизирующие отпирание и запирание ключевых транзисторов, срабатывают по двум импульсам управления, снимаемым с обоих выводов вторичной обмотки трансформатора. Данный п£ием обеспечивает устойчивость функционирования при высоком уровне помех. По существу, микросхема IR1176 представляет собой микроэлектронную реализацию функциональной схемы, представленной в работе [7].

Схема синхронного выпрямителя не требует привязки к схеме,

относящейся к первичной обмотке трансформатора, в том числе не требует внешних синхросигналов. Питание схемы осуществляется от выходного напряжения. Длительность задержки отпирания и запирания ключевых транзисторов настраивается при помощи внешних компонентов. Микросхема также! обеспечивает паузу между запиранием одного МОП-транзистора и отпиванием другого для исключения сквозных токов.

Микросхема ШЛ176 работоспособна при напряжении от 4 до 7 В, обеспечивает ток затвора МОП-транзистора до 4 А на рабочей частоте от 100 кГц до 2 МГц. Минимальное напряжение, при котором отключается схема; управления, составляет 2,25 В. Задержка прохождения сигнала и переключения выходных цепей микросхемы 20 нс. Предусмотрены две типовые схемы включения для выходного напряжения 5 В и выходного напряжения менее 5 В. ШЛ176 выпускается в трех конструктивных вариантах в корпусах 880Р-20, 801С-20 и Р01Р-20.

Микросхема 806203 также является драйвером синхронного выпрямителя. 806203 представляет собой КМОП контроллер, предназначенный для управления только прямым Ы-канальным МОП-транзистором в синхронном выпрямителе обратноходового преобразователя с выходным напряжением от 5 до 20 В. Как отмечается, применение данной Микросхемы позволяет отказаться от синхронизирующей обмотки выходного трансформатора.

" Питание микросхемы осуществляется от выходного напряжения, типовой ток потребления 1,7 мА. Микросхема 806203 обеспечивает ток затвора МОП-транзистора до 2 А. Конструктивное исполнение предусмотрено в корпусах 80Р-8 и РП1Р-8.

Схемотехника управляемых (синхронных) выпрямителей на биполярных тран:Мсторах

! Помимо рассмотренных современных синхронных выпрямителей, известен целый класс управляемых выпрямителей на основе биполярных транзисторов. Общий принцип действия данных выпрямителей достаточно

прост^ и заключается в том, что диод заменяется биполярным (обычно п-р-п) транзистором, коллектор которого включается к узлу анода, а эмиттер - к узлу #атода диода, а необходимый для управления мощность отбирается от первичного источника переменного напряжения.

Наиболее ранняя известная конструкция преобразователя напряжения ртно?йтся к 1958 г. [10]. Был предложен управляемый выпрямитель, построенный по однофазной двухполупериодной схеме со средней точкой силоврго трансформатора, в котором нагрузка включалась между средней точкой вторичной обмотки и соединенными коллекторами ключевых транзисторов. Конфигурация схемы обеспечивала попеременное открывание транзисторов и формирования на нагрузке напряжения постоянного тока.

Две более поздние конструкции [11, 12] реализуют образованный транзисторами мостовой выпрямитель. Очевидный недостаток таких преобразователей заключается в том, что высокий к.п.д. имеет место в узком диап^оне выходного тока и входного переменного напряжения. С одной стороны, для минимизации потерь необходимо поддерживать ключевые транзисторы в состоянии возможно более глубокого насыщения, ограниченного лишь быстродействием, с другой стороны, базовый ток ключевых транзисторов сам является одной из составляющих потерь, и, кромЬ! того, величина этого тока зависит от входного напряжения преобразователя. Наиболее простой способ устранения указанного нодобФатка - поставить ток базы ключевых транзисторов в зависимость от -гока коллектора и по возможности исключить зависимость его от входного напряжения.

Такой способ реализован, например, в [13], где предлагалось использовать трансформатор тока, первичная обмотка которого включалась последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка включалась между коллектором и базой ключевого транзистора и служила источником базового тока ключевых транзисторов.

; Дальнейшее развитие преобразователи получили в работах авторов из

и 14

Московского института радиотехники, электроники и автоматики Д.В. Игумнова, И.С. Громова, В.А. Масловского и других. Группой авторов было разработано большое число различных вариантов управляемых

преобразователей переменного напряжения в постоянное, как на основе

! ■ |

бйполярных, так и полевых транзисторов [14-17], с удвоением или

регулировкой напряжения [18-21], для питания нескольких нагрузок, с

ч

ограничением выходного напряжения, ряд других конструкций [22-26].

Й|сем биполярным вариантам преобразователей напряжения присущи два недостатка: очень узкий диапазон напряжений, в котором реализуется высокий к.п.д., большой ток управления транзисторов. Важным преимуществом при использовании биполярного транзистора является его нйзкйе напряжение управления. Полное отпирание биполярного прибора достигается при напряжении управления менее 1 В, что позволяет

г ;

конструировать управляемые выпрямители с низким выходным напряжением без йспользования вспомогательных источников питания. МОП варианты преобразователей зачастую требовали применения МОП-транзисторов с рабочим напряжением затвора менее 1 В; следует отметить, что номенклатура МОП-транзисторов даже с рабочим напряжением затвора менее 1,5 В очень ограничена.

г' Устройство по изобретению «Преобразователь переменного напряжения в: постоянное» [27] предназначено для выпрямления низкого переменного напряжения и получения двух стабильных выходных напряжений, схема приведена на рисунке 1.2. Как видно из схемы устройства, высокая эффективность его достигается в узком диапазоне входных напряжений, что являё'кя существенным недостатком.

а-

к

-0

13

/2 *-0

8

ю

-г

-*—0

/;

i:

■ Рисунок l .2 - Преобразователь переменного напряжения в постоянное

По результатам обзора можно сделать следующие выводы: I- снижение напряжения питания и повышение плотности компоновки радиоэлектронной аппаратуры обусловливает высокие требования к коэффициенту полезного действия и к величине мощности потерь

, ! источников вторичного электропитания;

i h одним из способов удовлетворения данными требованиям является замена традиционных выпрямителей на диодах или диодах Шоттки ;:! синхронными выпрямителями;

: - в качестве ключевых приборов синхронных выпрямителей могут

М использоваться полупроводниковые приборы различных типов, в том числе МОП-транзисторы, биполярные транзисторы.

1.2 Биполярные статические индукционные транзисторы

Статический индукционный транзистор

Исторически первыми из класса СИ приборов появились полевые СИ транзисторы с вертикальным каналом. За счет малой длины канала и низких значений емкостей эти транзисторы имеют высокое быстродействие и в то же время; низкое сопротивление в открытом состоянии, что позволяет конкурировать в ряде случаев с МОП-транзисторами. Авторы и энтузиасты направления СИТ-транзисторов - японская фирма «Tokin», а также токийский Университет Тохоку (Tohoku University), где в конце семидесятых годов были

■ I ■: ! 1

и 16

разработаны и выпускались транзисторы 28К76-28К78 и 28К180-28К183 [28].

Недостаток этих транзисторов - открытое начальное состояние - создает определенные сложности при использовании их в радиоэлектронной аппаратуре, поскольку для запирания такого транзистора необходимо применять отдельный

источник в цепи управления напряжением до ЗОВ, а также использовать

| (

дополнительные схемотехнические решения, предотвращающие броски тока через транзистор в момент включения.

;: '¡.I

; На стыке полевых СИТ и биполярных транзисторов в начале восьмидесятых годов в Японии были созданы и исследованы экспериментальные образцы статических индукционных транзисторов с

I |

вертикальным нормально-закрытым каналом, работающих при прямом смещении на затворе в биполярном режиме. Такие приборы получили название «биполярные СИТ», или сокращенно БСИТ.

Имея частотные и токовые характеристики, не уступающие полевым СИТ, БСИТф вследствие нормально-закрытого состояния, позволяют значительно упростить схему управления в электронных устройствах. Первый в мире, по имеющимся данным, серийный транзистор такого типа был разработан в Вшщице в 1989 г. и получил номер КП934 [29].

Общее описание биполярных статических индукционных транзисторов • Анализ топологии и физики показывают, что БСИТ является в некотором сйысйе предельным вариантом биполярного транзистора, конструктивно совмещенным с полевым СИТ. Биполярная составляющая СИТ является фактически биполярным транзистором с обедненной областью базы. Характеристики БСИТ похожи на характеристики биполярного транзистора,

особенно при работе в активном режиме. Однако, вследствие особенностей

Ч

конструкции и физики работы, БСИТ имеют:

более высокое по сравнению с биполярными транзисторами

II быстродействие;

Ч- низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер при высоком 4 коэффициенте усиления по току;

Ч

! |, р повышенную устойчивость к перегрузкам;

; > допускают эффективную работу при параллельном включении без I ! принудительного выравнивания токов.

При высоком быстродействии, не уступающим полевым транзисторам, БСИТ| сочетает в себе все лучшие достоинства биполярных транзисторов.

1>ким образом, преимущества БСИТ перед биполярными транзисторами вмесФб с большими возможностями его дальнейшего совершенствования позволяют предположить, что в ближайшей перспективе БСИТ смогут замеййть биполярные транзисторы во многих областях применения, а также потеснить полевые МОП-транзисторы в диапазоне напряжений до 100 В и мощностей до 10 кВт.

угикальная структура БСИТ приведена на рисунке 1.3.

Исток (эмиттер)

База

Сток (коллектор)

I |:Г Рисунок 1.3-Вертикальная структура БСИТ

: В БСИТ область истока (эмиттера) прямоугольной формы окружена кёльцевой базой р+ - типа, «утопленной» в область высокоомного Э1|итаксиального слоя п~ - типа. Исток является самосовмещенным относительно базы.

Г Концентрации примесей в областях базы и эпитаксиального слоя,

ширина канала и другие параметры рассчитаны таким образом, чтобы при нулевом смещении на базе встроенный потенциал затвора Ф0, равный разнсюти работ выхода полупроводниковых областей р+ - и п" - типов,

I '

создавал обедненный слой, перекрывающий канал. Встроенный потенциал определяется формулой:

кТ

Ф = — 1п

: ! и п

( \

N N , а а

п2

I

(1.1),

где Иа, N<1 - концентрации примесей - акцепторов в базе и доноров в эпит&ксиальном слое, соответственно,

«г - концентрация примеси в собственном полупроводнике, Уг/ц - термодинамический потенциал. ■ ' Транзистор с такой структурой является нормально-закрытым и открывается при положительном напряжении на базе, при этом р-п переход база-исток смещается в прямом направлении и база начинает инжектировать дыркй; в обедненную область канала. За счет модуляции проводимости в обедненной области канала возникает «виртуальная база», представляющая собой' слой, эквивалентный области базы обычного биполярного транзистора. «Виртуальная база» состоит из области, обусловленной компенсацией инжекггированных базовой областью дырок электронами, инжектированными истоком. Концентрация примеси в «виртуальной базе» БСИТ на 2-3 порядка ниже, ¡чем концентрация примеси в базе обычного биполярного транзистора, чтЬ Обеспечивает высокую подвижность носителей, высокий коэффициент усиления по току, малую емкость р-п перехода.

Высокая плотность инжектируемых истоком электронов, достигающая 1017 СМ"3, и равномерное распределение их по ширине канала позволяют пдлу^ать плотности рабочего тока до 3-10 А/мм2, что на порядок выше, чем у бипоЛярного транзистора. Кроме того, равномерное распределение плотности тока по ширине канала в сочетании с низким сопротивлением затвора обеспечивает в БСИТ высокую энергию вторичного пробоя, которая достигает

И?: ! | 19

100 мДж.

■ '' I *

Ширина базы БСИТ увеличивается с уменьшением напряжения стока, что приводит к низким остаточным падениям напряжения на открытом

транзисторе. Отрицательный температурный коэффициент тока стока

К ы

допускает параллельное включение БСИТ без балансировки тока, обеспечивая их надежную работу.

: Достоинства БСИТ, в частности, высокое быстродействие, высокий коэффициент усиления по току, высокая надежность, наиболее эффективно могут; быть реализованы при использовании их в качестве ключевых трЫйсторов в широком диапазоне рабочих напряжений. БСИТ находят

; Н:

применение в источниках вторичного электропитания, ключевых усилителях мощности, электронных системах зажигания, электроприводах для управления электродвигателями и других устройствах силовой электроники. Не менее

перспективными направлениями является применения специальных типов

•}

БСИТ! в мощных устройствах СВЧ, построение на их основе высоковольтных мощифгх операционных усилителей, силовых интегральных схем, интеллектуальных силовых модулей [30].

Типы приборов со статической индукцией ; В настоящий момент класс статических индукционных приборов вклюЧает в себя статический индукционный транзистор, биполярный ¿'готический индукционный транзистор, статический индукционный транзистор Шоттки, статический индукционный диод, статический индукционный тиристор, комбинированный МОП статический индукционный тиристор, статический индукционный логический элемент. Отдельное место занимают статические индукционные транзисторы на основе органических полупроводников, в частности, пригодные для использования в оптоэлектронных устройствах [31-33].

с!и транзистор с барьером Шоттки на сегодняшний день является одним из сайых потенциально быстродействующих приборов. Оценка предельной частб^ы для СИТ Шоттки из ЭЮ дает величину 355 ГГц [34].

'; < I \

СИ диод образуется соединением затвора и эмиттера специальным образом изготовленного БСИТ. Неуправляемый прибор обладает такими свойствами БСИТ, как высокое быстродействие, малое прямое падение напряжения и большое напряжение пробоя [35].

Статические индукционные тиристоры представляют собой результат развития конструкции и технологии СИ транзисторов [36, 37]. Имеется сообщение [38] о применении СИ тиристора класса 4,4 кВ, 600 А в мощном импульсном модуляторе, выполненном по схеме Блюмляйна с вольтодобавочным трансформатором.

Реализация катодного управления СИ тиристора привела к созданию комбинированного МОП статического индукционного тиристора [39-41].

Первые описания полупроводниковых интегральных переключательных структур на основе СИТ появились в конце семидесятых годов прошлого века ;[42, 43]. Следует отметить весомый вклад в развитие этого направления отечественными учеными [44-48]. Отмечается, что логические элементы на осйовё СИТ обладают меньшим значением энергии переключения, чем элементы интегрально-инжекционной логики. /' Перспективы развития статических индукционных транзисторов

Основные тенденции и перспективы развития СИ приборов связаны с использованием новых полупроводников [49]. Возможность использования шир^озонных полупроводников для создания приборов исследовалась несколько десятилетий назад. За счет большей ширины запрещенной зоны

эти материалы обладают, в частности:

; !

V более высокой предельной рабочей температурой;

большей величиной критического поля пробоя (напряженности ■ |' электрического поля, при которой наступает пробой) Есг\ более высокой радиационной стойкостью.

Ё| аспекте характеристик СИ приборов наиболее перспективны карбид кремй'ня 4Н-81С, нитрид галлия и алмаз. По причинам технологической сложности алмаз пока не занял лидирующего положения в ряду

у и. 21

полупроводниковых материалов. С учетом промышленной освоенности и развитости технологии карбид кремния 4H-SÍC и нитрид галлия рассматриваются сегодня в качестве основных материалов для СИ приборов.

! I

Значительные успехи в настоящее время достигнуты в промышленном

: i i

применении карбида кремния. Американская компания Cree Inc., один из новаторов этого направлении, предлагает сегодня карбидокремниевые 4Н-

í I

SÍC диоды Шоттки серии ZeroRecovery классов 300, 600 и 1200 В, на рабочий

ток от 1 до 20 А при рабочей температуре до 175°С [50].

! i М

Имеется также сообщение о разработке фирмой Cree Inc.

: t

к&рбйдокремниевого диода Шоттки [51], топология которого соответствует топологии СИ диода с буферным слоем. Получивший оригинальное название Junction Barrier Schottky, или JBS-диод, прибор класса 1200 В демонстрирует

прямр'е падение напряжения, в два раза меньшее по сравнению с

' ■!

карбиДокремниевым диодом Шоттки традиционной топологии.

!; Í .

к Имеется также сообщение [52] о результатах тестирования СИ транйсторов из 4H-SÍC того же производителя. К сожалению, класс прибора

по току и напряжению не указывается.

¡ i

Известно сообщение о тестировании и математическом моделировании

ЬСИ'Т] изготовленного на основе 4H-SÍC [53]. Исследуемый транзистор

i i

обеспечивает блокирующее напряжение 1300 В при обратном смещении на

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Букашев, Федор Игоревич

ЗЛВыводы

I Io результатам третьей главы сделаны следующие выводы.

1. Рассмотрены известные технические решения оптимизации характеристик управления силовыми биполярными транзисторами и контроля состояния силовых биполярных транзисторов.

2. Предложен и исследован режим управления и контроля состояния биполярного статического индукционного транзистора - режим пропорционально-насыщенного управления БСИТ. Режим пропорционально-насыщенного управления БСИТ обеспечивает поддержание транзистора в режиме насыщения и позволяет получить высокий коэффициент полезного действия БСИТ и ключа на его основе в широком диапазоне токов коммутации. Режим пропорционально-насыщенного управления БСИТ проиллюстрирован различными схемотехническими решениями.

3. Разработана методика проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ в режиме пропорционально-насыщенного управления, позволяющая оптимизировать характеристики выпрямителей. Предложены критерии оценки эффективности управляемых выпрямителей.

4. 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 750 кГц. Коэффициент полезного действия исследованных макетов составляет более 90%.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты.

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. 1 [редложен 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 750 кГц. Коэффициент полезного действия исследованных макетов составляет более 90%. Показана возможность микроэлектронной реализации управляемых выпрямителей на основе БСИТ.

4.

6.

7.

8.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Букашев, Федор Игоревич, 2011 год

Библиографический список

J. Nishizawa et al. Field-effect Transistor versus Analog Transistor (Static induction Transistor) // IEEE Trans, on Electron Devices, 1975, v. ED-22, pp. 185-197,

Бокок 1 Жданкии В. Закономерные тенденции синхронного

выпрямления // Современная электроника, №1, 2005, С. 2-5

LTC1158. Half Bridge N-Channel Power MOSFET Driver [Электронный ресурс]. - Режим доступа :

h tip:// www. 1 inear.com/pc/downloadDocument.do?navId=HO,C 1 ,C 1003 ,C 114

2,С11 14,P 1464,D2064 /- 10.11.2008.

LTC3422. 1.5A, 3MHz Synchronous Step-Up DC/DC Converter with Output Disconnect [Электронный ресурс]. - Режим доступа :

hitp://www.linear.com/pc/downloadDocument.do?navId=H0,Cl,C1003,C104

2,C103l,C1060,P14933,D10338 /- 10.11.2008.

MC33470: Synchronous Rectification, DC-DC Converter, Programmable Integrated Controller [Электронный ресурс]. - Режим доступа :

http://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC33470-D.PDF /- 10.11.2008.

'¡■у р с у и о в В., Иванов В., Панфилов Д. Повышение КПД понижающих

конвертеров при синхронном выпрямлении. // ChipNews, №2, 1999, с. 210.

S. Clemente, T.J. Pure, L. Kiraly. Синхронные выпрямители повышают кпд выхода низковольтных прямых конверторов [Электронный ресурс]. - Режим доступа :

hup://shtz.shadrinsk.net/library/doc/ir/www.irf.com/technical-

inl о/design tp/dt94-16.pdf / - 10.11.2008.

IR1176. Synchronous Rectifier Driver [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.platan.ru/pdf/ldist/ir/irl 176.pdf/- 10.11.2008 SG6203 Synchronous Rectifier Controller for Flyback Converter (Электронный ресурс]. - Режим доступа :

http://www.fairchildsemi.com/ds/SG/SG6203.pdf / - 10.11.2008

10. Управляемый выпрямитель на полупроводниковых триодах : авт. свид.

124565 СССР : кл. 21d2, 1203 / Нефедов К.П. ; 601528 ; заявл. 1958.09.06 ; опубл. 1958.01.01.-2 е.: ил •

11. Устройство для инверсного регулирования : авт. свид. 345574 СССР : МЛК6Ы02М5/42 / Зеленое А.Б., Гривко А.М. ; 1329854 ; опубл. 1972.01.01.-2 е.: ил.

12. Преобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 877744 СССР : МПК5Н02М7/217 / Вишнепольская Н.М., Костырка Р.-10.В., Молодыко Б.К., Синицына Н.М.- 2883616; заявл. 1980.18.02.; опубл. 1981.30.10.-2 е.: ил

13. Транзисторный выпрямитель : авт. свид. 529531 СССР :

MI ГК5Н02М7/217 / Рогов В.М. ; заявитель и патентообладатель предприятие П/ЯВ-8332.- 1686133 ; заявл. 26.07.1971. ; опубл. 25.09.1976.-2 е.: ил

14. 1 [реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид.

1226596 СССР : МГЖ4Н02М7/217 / Игумнов Д.В., Масловский В.А., Громов И.С., Костюнин C.B. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-3799567 ; заявл. 11.10.1984. ; опубл. 23.04.1986-2 е.: ил

15. 11реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1325644 СССР : МПК4Н02М7/217 / Игумнов Д.В., Костюнин C.B., Громов И.С., Юровский A.B. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-3977673 ; заявл. 25.1 1.1985. ; опубл. 23.07.1987,-2 е.: ил

16. Преобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1363406 СССР : МПК4Н02М7/217 / Игумнов Д.В, Костюнин C.B., Громов И.С., Юровский A.B. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-4053515 ; заявл. 09.04.1986. ; опубл. 30.12.1987.-2 е.: ил

17. 1 [реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1379914 СССР : МПК4Н02М7/217 / Игумнов Д.В., Костюнина Г.П., Громов И.С., Гусев А.П. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики - 4107307 ; заявл. 12.06.1986.; опубл. 07.03.1988.- 3 е.: ил

18. Регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. спид. 1460762 СССР : МПК4Н02М7/25 / Игумнов Д.В, Костюнина

1М1., 1 ромов И.С., Матсон Э.А. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-4209237 ; заявл. 09.03.1987. ; опубл. 23.02.1989.-3 е.: ил

19. 11реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1480064 СССР : МПК4Н02М7/25 / Игумнов Д.В., Дрожжев В.В., Масловский В.А. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-4337069 ; заявл. 15.10.1987. ; опубл. 15.05.1989.-3 е.: ил

20. 1 ¡реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1 577024 СССР : МПК5Н02М7/217 / Игумнов Д.В., Громов И.С., Жарковский Е.М. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-4487387 ; заявл. 28.09.1988. ; опубл. 07.07.1990.-3 е.: ил

21. 1 [реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1693701 СССР : МПК5Н02М7/217 / Игумнов Д.В., Фомишкин В.В., Щербакова С.Н. ; заявители и патентообладатели Московский институт радиотехники, электроники и автоматики и НПО «Полюс»,- 4741102 ; заявл. 20.07.1989. ; опубл. 23.11.1991.-3 е.: ил

22. Преобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1221705 СССР : МПК4Н02М7/155 / Игумнов Д.В., Масловский В.А., Громов И.С., Костюнина Г.П. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-3694793 ; заявл. 26.01.1984.; опубл. 30.03.1986,-3 е.: ил

23. Оптоэлектронный преобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1248017 СССР : МПК4Н02М7/217 / Игумнов Д.В., Костюнина Г.П., Масловский В.А., Шведов А.Н.; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики,-3850815 ; заявл. 04.02.1985. ; опубл. 30.07.1986.-3 е.: ил

24. Оптоэлектронный преобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1415377 СССР : МПК4Н02М7/217 /Игумнов Д.В., Громов И.С., Костюнина Г.П.; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-4185826 ; заявл. 27.01.1987.; опубл. 07.08.1988.-3 е.: ил

25. 1 [реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1457123 СССР : МПК4Н02М7/155 / Ткачев А.И.-4212703 ; заявл. 23.03.1987. ; опубл. 07.02.1989.-3 е.: ил.

26. 11реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид. 1450057 СССР : МПК4Н02М7/217 / Игумнов Д.В., Масловский В.А., Громов И.С., Шивыдкин В.В. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-4214137 ; заявл. 24.03.1987. ; опубл. 07.01.1989.-3 е.: ил

27. 11реобразователь переменного напряжения в постоянное : авт. свид.

1612362 СССР : МПК4Н02М7/217 / Игумнов Д.В., Масловский В.А., 1 'ромов И.С. ; заявитель и патентообладатель Московский институт радиотехники, электроники и автоматики-4638572 ; заявл. 16.01.1989. ; опубл. 07.12.1990.-2 е.: ил

28. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. Справочник / В.В. Бачурин, В.Я. Ваксенбург, В.П. Дьяконов и др. Под ред. В.П. Дьяконова. — М.: Радио и связь, 1994, 279 с.

30. Разработка мощного бескорпусного транзистора : техн. отчет по опытно-конструкторской работе / ОАО «Элекс» ; исполн. Ю.Г. Фомин. -Александров, 1999. -21 с. -Рукоп.

31. К. Kudo, 1С. Shimada, К. Marugami, М. Iizulca, S. Kuniyoshi, К. Tanaka. Organic static induction transistor for color sensors // Synthetic Metals, 102 (1999), 1-3,900-903.

32. K. Kudo, D.X. Wang, M. lizuka, S. Kuniyoshi, K. Tanaka. Organic static induction transistor for display devices // Synthetic Metals, 111-112 (2000), 01, pp. 11-14.

33. C.M. Joseph, K.N. Narayanan Unni, C.S. Menon. Static induction transistor characteristics of organic copper phthalocyanine films // Materials Letters, 50 (2001), 1, pp. 18-20.

34. Рындип E.A., Коноплев Б.Г. SiC static-induction transistor // Abstracts of IV International Seminar on Silicon Carbide and Related Materials. Novgorod the Great. Russia, 2002, pp. 91, 92.

35. В. M. Wilamowski. High Speed, High Voltage, and Energy Efficient Static Induction Devices, - 26th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON'OO), (3h tutorial) Nagoya, Japan, October 22-28, 2000.

36. Terasawa, Y.; Miyata, 1С.; Murakami, S.; Nagano, Т.; Okamura, M. High power static induction thyristor. - Electron Devices Meeting, 1979 International Volume 25, 1979, pp: 250 - 253.

37. Static induction Thyristors as a Fast High-Power Switch for Pulsed Power Applications. Shozo Ishii, Jun-Ichi Nishizawa, Naohiro Shimizu, Yuichiro Imanishi. - Chemistry for Sustainable Development, Vol. 9 (2001), pp. 5760.

(BEAiMS 2000), Nagaoka, Japan, June 25-30, 2000. -Nagaoka, 2001. - P. 147.

39. Бономорский О.И., Воронин П.А. Сравнительный анализ падения напряжения в открытом состоянии IGBT и комбинированного СИТ-МОП-транэистора / Применение силовой электроники в электротехнике: Мат. докл. н.-тех. сем. М.: МНТОРЭС им. А. С. Попова. 2000.

40. Бономорский О.И., Воронин П.А. Тенденции развития комбинированных полупроводниковых ключей с полевым управлением // Электронные компоненты. 2002. № 6, сс. 18-22.

41. Полупроводниковое ключевое устройство с полевым управлением : пат. па изобретение 2199795 Рос. Федерация : MITK7H01L29/72,

МПК71101L29/74 / Бономорский О.И., Воронин П.А. ; патен тообладатель Государственное унитарное предприятие «Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина».-2001109010/28 ; заявл. 05.04.2001. ; опубл. 27.02.2003.-3 е.: ил

42. Nishizawa, J. and Wilamowski В. M. Integrated Logic - State Induction Transistor Logic, International Solid State Circuit Conference, Philadelphia, USA, pp.222-223, 1977.

43. Nishizawa, J. and Wilamowski В. M. Static Induction Logic - A Simple Structure with Very Low Switching Energy and Very High Packing Density, International Conference on Solid State Devices, Tokyo, Japan, pp. 53-54, 1976 and Journal of Japanese Soc. Appl. Physics Vol. 16-1, pp. 158-162, 1977.

44. Интегральный логический элемент : пат. на изобретение 2079986 Рос. Федерация : МПК6Н05К1/00 / Коноплев Б.Г., Рындин Е.А. ; заявитель и патентообладатель Таганрогский государственный радиотехнический университет,-94005726/07 ; заявл. 18.02.1994. ; опубл. 20.05.1997.-3 е.:

ил

45. Интегральный логический элемент : пат. на изобретение 2094944 Рос. Федерация : МПК6Н03К19/20, MnK6H01L29/66 / Коноплев Б.Г.,

Рьшдин Е.А.; заявитель и патентообладатель Таганрогский государственный радиотехнический университет-95105202/09 ; заявл.

06.04.1995. ; опубл. 27.10.1997.-3 е.: ил

46. Интегральный логический элемент : пат. на изобретение 2115998 Рос. Федерация : МПК6Н03К19/20, МПК6Н01Ь27/06 / Коноплев Б.Г., Рындин Е.А.; заявитель и патентообладатель Таганрогский государственный радиотехнический университет-96108296/09 ; заявл.

23.04.1996. ; опубл. 20.07.1998.-3 е.: ил

47. Интегральный логический элемент И-ИЛИ-НЕ : пат. на изобретение 2166837 Рос. Федерация : МПК7Н03К19/18, МПК7Н03К19/20 / Коноплев Б.Г., Рындин Е.А.; заявитель и патентообладатель Таганрогский государственный радиотехнический университет-2000102111/09 ; заявл. 25.01.2000.- 3 е.: ил.

48. Рындин Е.А. Сверхбыстродействующие элементы СБИС на основе полевых транзисторов Шотгки со статической индукцией // Проектирование и технология электронных средств, №2, 2001, С. 44-48.

49. Лебедев A.A. SiC электроника в новом веке // Карбид кремния и родственные материалы: Сборник докладов 3 Международного семинара, С. 7-11 / НовГУ им. Ярослава Мудрого. - Великий Новгород, 2000.

50. CSD01060 - Silicon Carbide Schottky Diode Zero Recovery® Rectifier |Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.cree.eom/products/pdf/CSD01060.M.pdf/- 10.11.2008.

51. Silicon Carbide Power Applications and Device Roadmap / Jim Richmond, Stuart Hodge, John Palmour // Power Electronics Europe Magazine, October 2004, pp. 17-21.

52. Testing and Modeling Electrical Characteristics of Novel Silicon Carbide (SiC) Static Induction Transistors (SITs) / A.S. Kashyap, S.D. Magan Lai, T.R. McNutt, A.B. Lostetter, A.H. Mantooth // Journal of the Arkansas Academy of Science. - 2003. - Vol. 57.-P. 209-215.

53. Design Optimisation of an Enhancement Mode Bipolar Static Induction Transistor (BSIT) / A.B.Horsfall, C.MJohnson, N.G.Wrighn, A.G.O'Neill: // Postgraduate Conference 2001: Microelectronics / University of Newcastle upon Тупо; School of Electrical, Electronic and Computer Engineering.

| Электронный ресурс]. - Режим доступа :

http://www.ncl.ac.uli/eece/research/pgconf/pgabstract2001/horsfall2001.htm/ - 10.11.2008.

54. Bunca G.E., Dunham S.T., Moustakas T.D. Modeling of a GaN Based Static Induction Transistor // MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research. - 1999. - 4S1. - G6.41. [Электронный ресурс]. - Режим доступа

: http://nsr.mij.mrs.org/4Sl/G6.41/article.pdf/-10.ll.2008.

55. 11иляж, А. Мощные быстродействующие ключи на основе статических индукционных транзисторов : автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук:05.09.12 / А. Пиляж. - М., 1992. - 15 е.: ил

56. Кардаш, М. Исследование и разработка высокочастотных преобразователей на основе нормально открытых статических индукционных транзисторов : автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук:05.09.12 / М. Кардаш. - М., 1993. - 12 е.: ил

57. АЕЯР.432140.144 ТУ. Транзистор типа 2Т9183А-5. Технические условия. - Александров: ОАО «Элекс», 2000. - 20 е.: ил

58. PQD17N08L / FQU17N08L. 80V LOGIC N-Channel MOSFET. [Электронный ресурс]. - Режим доступа :

http://www.fairchildsemi.com/ds/FQ/FQD17N08L.pdf/-10.01.2011.

59. Бономарский О.И., Акимов М.Г. Сравнительный анализ транзисторов с электростатической индукцией и высоковольтных МОП-транзисторов // Электротехника, 1991, №12, С. 51-54.

60. Абрамов А., Раченкова А. Биполярный или МОП-транзистор -

61. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов: Пер. с англ./ Под ред. И.В. Грехова. - JL: Энергоатомиздат, 1986, 248 с.

62. Носов К).Р. и др. Математические модели элементов интегральной электроники. - М.: Советское радио, 1976, С. 116-120.

63. I Jfivül J. Lumped models of transistors and diodes // Proc. IRE, 1958, v. 46, №6, pp. 1141-1152.

64. Агаханян T.M. Измерение статических параметров полупроводникового триода. - В кн. Полупроводниковые приборы и их применение. / Под ред. Я.А. Федорова. Вып. 11., -М.: Советское радио, 1972.

65. Gummel Н.К., Poon Н. С. An integral charge control model of bipolar transistors // Bell Syst. Techn. J., 1970, v. 49, № 5, pp. 827-852.

66. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). - М.: CK Пресс, 1996, 272 с.

67. Бу кашев Ф.И., Бичурин М.И., Петров В.М. Математические модели биполярных транзисторов и полевых транзисторов с управляющим р-п переходом и оценка их применимости для описания биполярных транзисторов со статической индукцией. - М.: Деп. ВИНИТИ, № 959-В02, 29.05.2002.

68. Кобболд Р. Теория и применение полевых транзисторов: Пер. с англ. -JI.: Энергия, 1975, 304 с.

69. Кобболд Р., Трофименков Ф. Полевой транзистор со смещением перехода затвор-канал в прямом направлении // ТИИЭР, 1964, №9, С. 1153-1154.

70. Букашев Ф.И. Идентификация параметров SPICE-модели стабилитронов с учетом технологического разброса характеристик приборов // CAD/CAM/CAE Observer, №2, 2004, С. 80-82.

научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. -Великий Новгород, 2006, С. 143-144.

72. Букашев Ф.И., Байбузов А.В., Смирнов А.Ю. Идентификация статических параметров SPICE-макромодели тиристора// CAD/CAM/CAE Observer, №4, 2004, С. 78-80.

73. Букашев Ф.И., Байбузов А.В., Смирнов А.Ю. SPICE модель статического ОЗУ // Схемотехника, №10, 2005, С. 30-32.

74. lonescu, A.M.; Rusu, A.; Postolache, С. Bipolar static induction transistor (BS1T) static model // Electrotechnical Conference, 1991. Proceedings., 6th Mediterranean, 22-24 May 1991,pp:107-l 10 vol.1.

75. Nishizawa J.-I., Ohmi Т., Chen H.-L. Analysis of Static Characteristics of a Bipolar Mode SIT (BSIT) // IEEE Transactions on Electron Devices; vol. ED-29; No. 11; Aug. 1982, pp. 1233-1244.

76. Yang J., Li S., Wang T. An analytical model for the saturation characteristics of bipolar-mode static induction transistors // Solid-State Electronics, vol. 43 (1999), issue 4, pp. 823-827.

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

78. MicroCap 9.0.5.0 Evaluation Version [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.spectrum-soft.com/download.shtm/- 10.11.2008.

79. Букашев Ф. И., Байбузов А. В., Смирнов А. Ю., Бичурин М. И., Петров В. М. 11овышение точности электрической схемы замещения биполярного транзистора со статической индукцией в режиме насыщения.// Тезисы докладов аспирантов, соискателей, студентов XII научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. -Великий Новгород, 2005, С. 138-139.

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

8:

Транзис торный ключ с защитой от перегрузки : пат. на изобретение 2035841 Рос. Федерация : Н03К17/08 / Милюшин H.H. ; заявитель и патентообладатель Милюшин H.H..-93001227/10 ; заявл. 11.01.1993.; опубл. 20.05.1995.

Транзисторный ключ : пат. на изобретение 2106058 Рос. Федерация : МГ1К6Н03К17/28 / Лаврентьев H.H. ; заявитель и патентообладатель Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им.С.П.Королева-96103455/09 ; заявл. 27.02.1996. ; опубл. 27.02.1998. Транзисторный ключ : пат. на изобретение 2020740 Рос. Федерация :

МПК5Н03К17/60 / Хандогин В.И, Якушкин А.Н., Комаров И.Н. ; заявитель и патентообладатель Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт-5004039/21 ; заявл. 04.07.1991. ; опубл. 30.09.1994.

84. Транзисторный коммутатор: пат. на изобретение 2125342 Рос. Федерация : МПК6Н03К17/О8, Н02НЗ/08 / Лаврентьев Н.И., Лаврентьева 11.В. ; заявитель и патентообладатель Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им.С.П.Королева.- 96115852/09 ; заявл. 08.08.1996. ; опубл. 20.01.1999.

85. Транзисторный ключ : пат. на изобретение 2071172 Рос. Федерация : МПК6Н03К17/08, НОЗК17/60 / Цыганов В.В. : заявитель и

патен тообладатель Арзамасское опытно-конструкторское бюро «Темп»,-4848706/10 ; заявл. 05.07.1990. ; опубл. 27.12.1996.

86. Силовой транзисторный ключ : пат. на изобретение 2023344 Рос. Федерация : МПК5Н03К17/00, Н02М1/08, Н02МЗ/337 / Соколов Э. Г. ; заявитель и патентообладатель Соколов Эдуард Георгиевич-5015175/07 ; заявл. 16.07.1991. ; опубл. 15.11.1994.

87. Транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания : пат. на изобре тение 2167492 Рос. Федерация : МПК7Н03К17/08, Н03Р1/52 / Тихонравов С.Р. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное

общество «Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики».-2000104136/09 ; заявл. 21.02.2000. ; опубл. 20.05.2001.

88. Способ контроля режима насыщения транзисторного ключа : пат. на изобретение 2156997 Рос. Федерация : MriK7G05F5/00, Н02Н7/20, Н03К5/19, G01R29/02 / Лаврентьев Н.И., Лаврентьева Н.В. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева».- 99105907/09 ; заявл. 26.03.1999. ; опубл. 27.09.2000.

89. Транзисторный ключ с защитой от перегрузки по току : авт. свид. 1347179 СССР : МПК6Н03К17/081, Н03К17/60 / Медведев A.A. ; заявитель и патентообладатель ПРЕДПРИЯТИЕ П/Я Р-6886,- 3967512 ; заявл. 21.10.1985. ; опубл. 23.10.1987.-3 е.: ил

90. Транзисторный ключ : авт. свид. 718925 СССР : МПК5Н03К17/60 / Коломиец В.И., Олейников Н.С. ; заявитель и патентообладатель предприятие П/Я М-5455.-2674646 ; заявл. 16.10.1978. ; опубл. 29.02.1980.-3 е.: ил

91. Транзисторный ключ : авт. свид. 505128 СССР : МПК6Н03К17/0412 / Усышкин Е.И., Данилин В.А. ; заявитель и патентообладатель Всесоюзный научно-исследовательский кинофотоинститут - 1980214 ; заявл. 26.12.1973. ; опубл. 28.02.1976.-3 е.: ил

92. 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 патентообладатель Букашев Ф.И.- 2002102371/20 ; заявл. 28.01.2002, опубл 20.08.2002. Вюл. № 23.

93. Преобразователь переменного напряжения в постоянное : свид. на полезную модель 25818 Рос. Федерация : МПК7Н02М7/217 / Букашев Ф.И., 11етров Р.В., Смирнов А.Ю. ; заявитель и патентообладатель Букашев Ф.И.- 2002107569/20 ; заявл. 01.04.2002, опубл. 20.10.2002 Бюл. № 29.

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

Приложение А. Осциллограммы макета управляемого выпрямителя на основе биполярного статического индукционного транзистора без режима пропорционально-насыщенного управления

Ниже приведены основные осциллограммы токов и напряжений макета управляемого выпрямителя (рисунок 3.11). Измерительный стенд - в соответствии с рисунком 3.10. Скважность пачек импульсов - 100. Аппаратура:

программно-аппаратный комплекс на основе ЭВМ и ПО РсЬаЬ-2000; цифровой генератор сигналов УеИешап РСОЮА; цифровой осциллограф УеПетап РС8500.

Рисунок А.2 - Ток нагрузки, сопротивление нагрузки 1,875 Ом, частота

400 кГц

Рисунок А.4 - Ток нагрузки, сопротивление нагрузки 1,5 Ом, частота 400 кГц

-1—--г- т —Выходное напряжение, В —□— Входное напряжение, В

- ,-,

- Г (

:

1 .........

1 1...........

\

СЧ :

-м-.:-] \ 1 1 ' ........-1 -1-—1 ---1-

Время, мкс

Рисунок А.6 - Ток нагрузки, сопротивление нагрузки 3,75 Ом, частота

400 кГц

—■— Выходное напряжение, В —о— Входное напряжение, В

Г

1

[ 1 {

I

V

1 \

...... "......1- -

Время, мкс

Рисунок А.8 - Ток нагрузки, сопротивление нагрузки 2,5 Ом, частота 400 кГц

3 п —■— Выходное напряжение, В —с— Входное напряжение, В

2,5 -2,0 1,5 -1,0 0,5 0,0 0,5 -1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5 -4 0-

г"\

Г: 1 / " ' '

V...........

1"..........

; ......... "V.........

' 1 ' ! ' .......|--.-1-Н-

Время, мкс

0,00 ■

-0,25 -

1,50 -

-0,75

X -1,00

ьг

О

-1,25 ■

-1,50 -

-1,75 ■

ш—ъ п

Время, мкс

Рисунок АЛО - Ток нагрузки, сопротивление нагрузки 1,875 Ом, частота

400 кГц

■ Выходное напряжение, Е • Входное напряжение, В

2,0 Время, мкс

Рисунок А. 12 - Входное и выходное напряжение, сопротивление нагрузки

3,75 Ом, частота 750 кГц

з,о ■

2,5 -I

CD

Ф 5 I

Ф %

a a. с га X

0,0 ■ -0,5 -1,0 ■ -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5 -4,0

• Выходное напряжение, В

1.........1....................!....................!.

.......... Л

:

r- - , Г" \

K. 1

г—

---i-1-i-1-1-,—

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 Время, мкс

2,5

3,0

3,5

Рисунок Л. 14 - Входное и выходное напряжение, сопротивление нагрузки

2,5 Ом, частота 750 кГц

Время, мкс

ш

- Выходное напряжение, В

- Входное напряжение, В

Время, мкс

Рисунок А. 16 - Входное и выходное напряжение, сопротивление нагрузки

1,5 Ом, частота 750 кГц

Рисунок АЛ 8 - Ток потребления управляемого выпрямителя, частота 750 кГц

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

-ке приведены основные осциллограммы токов и напряжений макета управляемого выпрямителя (рисунок 3.12). Измерительный стенд - в соответствии с рисунком 3.10. Скважность пачек импульсов - 100. Аппаратура:

программно-аппаратный комплекс на основе ЭВМ и ПО PcLab-2000; цифровой генератор сигналов Velleman PCG10A; цифровой осциллограф Velleman PCS500.

<и X к а с я X

■ Выходное напряжение, В - Входное напряжение, В

Время, мкс

Рисунок Б.2 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление нагрузки 3,75

Ом, частота 400 кГц

—■— Выходное напряжение, В —□— Входное напряжений. В

- ................г

1 1 , пппоп,

1

-V-,

1 • 1 1 1 1 1............'-1-1-

Время, мкс

о

г -25

г 25 г 50

I- 75

< г

125 ° г 150 (2 175

г 200

225

Время, мкс

Рисунок Б.4 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление нагрузки 2,5

Ом, частота 400 кГц

• Выходное напряжение, В

Время, мкс

0,50 -а

0,25 -1

0,00

-0,25

0,50 *

< Б" -0,75

т > -1,00 -

е- -

го X -1,25 Ч

¥ *

о -1,50 -Е

-1,75

-2,00

-2,25 4

-2,50

Время, мкс

Рисунок Б.6 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление нагрузки 1,875

Ом, частота 400 кГц

Время, мкс

0,25

0,00

о h-

-0,25

-0,50

Время, мкс

Рисунок Б.8 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление нагрузки 7,5

Ом, частота 750 кГц

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Время, мкс

0,25 .

0,00

-0,25 -

з-

е-

СО

* -0,50

О

н

-0,75 -

-1,00 •

—■— Ток нагрузки, А —□—Ток потребления, мА

-

л/ту х/ J Г

-

1........ .....-.....-'- .........' --.-- • ......1-

0,0 0,5

1,0

1,5

2,0 2,5

Время, мкс

3,0

3,5

0

< s

25 к

- 50

а> с; ю ф

0-

1-

о

с

Ы о

100

4,0

Рисунок Б. 10 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление нагрузки 3,75

Ом, частота 750 кГц

m ¡о

<и 56 к а с га X

Выходное напряжение, В Входное напряжение, В

2,0 Время, мкс

ш с; to ф

о I-

Время, мкс

Рисунок Б. 12 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление нагрузки 2,5

Ом, частота 750 кГц

Время, мкс

Рисунок Б. 14 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление нагрузки 3,75

Ом, частота 750 кГц

Рисунок Б. 16 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление нагрузки 2,5

Ом, частота 750 кГц

2,0 Время, мкс

25 |

50 1 ю

о I-

Рисунок Б.18 - Ток нагрузки и ток потребления, сопротивление

1,875 Ом, частота 750 кГц

нагрузки