Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методы структурно-параметрического синтеза энергетически напряженных сложных функциональных блоков, систем на кристалле

Манжула В. Г.,

2.1 Обобщенная структурная схема мощного аналоговогоинтегрального элемента и ее реализации

Устройства управления большими мощностями нагрузки включают в свой состав полупроводниковые силовые элементы [63,67,70]. Они являются наиболее энергонапряженными элементами всей системы. Поэтому для получения необходимой надежности устройства и предотвращения выхода из строя силовых элементов в них, как правило, используются узлы защиты. Перегрузки и отказ силового элемента происходят при выходе рабочей точки за пределы области безопасной работы (ОБР). Чаще всего, в результате следующих воздействий: превышения предельно допустимых значений тока и напряжения, пере­грева отдельных областей и всего полупроводникового кристалла, подачи недопустимой полярности на входные выводы. Для обеспечения адекватной защиты необходимо, чтобы датчики перегрузок располагались внутри силового элементах [30,63,641.

Совокупность этих требований, наряду с условиями микроминиатюризации можно обеспечить путем создания мощных аналоговых интегральных элементов (МАИЭ), объединяющих на одном кристалле силовой элемент и систему комплексной защиты [60,61].

Обобщенная структурная схема такого устройства представлена на рис.2.1 [58]. Она содержит: РЭ1, РЭ2,..., РЭN - N регулирующих элементов; РСУ - распределитель сигнала управления; ТПЗ - тепловую защиту от постоянного тепла; ФГ - формирователь гистерезиса; ЗПН -защиту от перенапряжения; ЗПП - защиту от переполюсовки. Каждый из РЭ включает в себя: МТ - мощный транзистор, ЗИТ - защиту от импульсного тока, ЗПТ - защиту от постоянного тока, ТМЗ - тепловую импульсную защиту, ЗМ -

.

защиту по мощности, ЗПФ - защиту от переворота фазы. Мощный транзистор имеет встроенные датчики импульсного тока и температуры, расположенные внутри мощной группы. Они вырабатывают сигналы управления TKi и TMi соответственно. Элемент ТПЗ схемотехнически интегрирован с датчиком температуры. Выходной каскад имеет четыре вывода для подключения входного напряжения U_вх, выходного напряжения U_вых, напряжения управления U_упр, а также вывод для подключения внешнего устройства переполюсовки U_пп.

Обобщенная структурная схема МАИЭ (рис.2.1) работает следующим образом. Сигнал управления U_yпр поступает в РСУ и далее распределяется по РЭ сигналами У1, У2,..., УN таким образом, чтобы предотвратить возникновение тепловых градиентов среди мощных транзисторов всех РЭ. Сигналом обратной связи являются сигналы TMi, поступающие от датчиков температуры. Сформированные таким образом сигналы У_i поступают к МТ и изменяют их проводимости в соответствии с необходимым законом управления. При возникновении перегрузки по импульсному или постоянномму току, датчик тока вырабатывает сигнал TKi (рис.2.1), срабатывает защита по импульсному или постоянному току и ограничивает нарастание тока через МТ [67].

Порог срабатывания токовых защит изменяется ЗМ в зависимости от разницы входного и выходного напряжений (U_вх - U_вых.= U_р) таким образом, чтобы сформировать ВАХ ограничения по мощности. При перегреве МТ тепловая импульсная защита ограничивает ток, протекающий через мощную группу. Для предотвращения возбуждения из-за теплоэлектрической обратной связи введен ФГ. При использовании в качестве МТ транзистора p-n-р структуры возможен переворот фазы сигнала управления в случае его насыщения. Для предотвращения этого ЗПФ ограничивает сигнал управления МТ.

В случае увеличения значения U_р выше предельного ЗПН вырабатывает сигнал, поступающий на РСУ и выключающий все РЭ. При перегреве МАИЭ срабатывает ТПЗ; при этом на РСУ поступает сигнал, ограничивающий рассеиваемую мощность. Если значение U_р станет отрицательным, то это свидетельствует о переполюсовке входного и выходного сигнала. В этом случае срабатывает ЗПП и снижает эту разницу до минимальной величины, или вырабатывает сигнал U_пп для внешнего устройства, предотвращающего переполюсовку.

Таким образом, предлагаемая обобщенная схема позволяет создать универсальный мощный аналоговый интегральный элемент, обладающий повышенной надежностью. В случае, когда вероятность какой-либо перегрузки незначительна, предлагаемая структурная схема упрощается до более простого вида.

На рис.2.2 представлена функциональная схема двойного МАИЭ, построенная в соответствии с обобщенной структурной схемой (рис.2.1) [58]. Данное устройство, в отличие от ранее известных схемных решений [33, 34], позволяет работать при более высоком значении напряжения U_р , сохраняя при этом минимальное падение напряжения между входом и выходом.

Первый регулирующий элемент (РЭ1) состоит из дифференциальных усилителей У1, У2; датчика тока ДТ2 и элемента МТ1. Второй регулирующий элемент (РЭ2) включает в себя управляемый источник тока (УИТ) и элементы УЗ, ДТ2. Резисторы R1 и R2 - эквиваленты параллельного соединения выравнивающих эмиттерных резисторов элементов МЭ1, МЭ2.

Расширение ОБР в такой схеме достигается путем использования двух РЭ с резко отличающимися режимами работы. Первый РЭ функцио- нирует при небольшом значении напряжения U , второй РЭ - при повышенном напряжении U . Первый и второй РЭ переключает элемент ЗМ за счет изменения порога срабатывания токовых защит. Повышенное рабочее напряжение элемента МТ2 достигается при использовании более высокоомных выравнивающих резисторов [31,32].

Определим необходимые значения выравнивающих резисторов [65]. Будем полагать, что условием резко неравномерного распределения токов среди эмиттеров мощного транзистора является случай, когда dU_эб/dI=0, где U_эб - внешнее напряжение, приложенное к переходу эмиттер-база; I - ток через переход.

.

В приближенной тепловой эквивалентной схеме мощного транзистора (рис.2.3) R_тi - частичное тепловое сопротивление i-го участка транзистора, через который протекает i-тый ток; R_то - общее тепловое сопротивление, пропускающее полный ток I. Если ток I постоянен, то Т_общ =const и сопротивление R_то не влияет на перераспределение мощности по площади кристалла. Полагая, что величины R_тi . и I_i для всех участков одинаковы, получаем выражение для температуры эмиттера мощного транзистора:

T=T_общ+U_кэIR_т. (2.1)

Для токов I >> I_в справедливы соотношения:

I ≈ I_Sexp((U_эб-IR)q/kT, I_S=qDn_i²/Q, (2.2)

где R - резистор в цепи эмиттера, q - заряд электрона, k - постоянная Больцмана, D - коэффициент диффузии неосновных носителей в базе, n_i., - концентрация собственных носителей, Q - заряд нескомпенсированных носителей в базе. Раскрывая выражение (2.2), и вводя температурную зависимость параметров D, n_i, получаем:

, (2.3)

где C=SqD(T_o)Т_о^1/2(mk/2πh²)³/Q; S - площадь эмиттера; ΔЕ - ширина запрещенной зоны в полупроводнике; h- постоянная Планка. Выражение (2.3) с учетом соотношения:

(2.4)

имеет вид:

. (2.5)

Полагая dU_эб/dI=0, получаем величину сопротивления R, при котором ток эмиттерного перехода находится на границе устойчивости:

.

. (2.6)

Дифференцируя выражение (2.6) при условии =const=0,4мВ/^оС получаем:

. (2.7)

Из анализа выражения (2.7) видно, что при всех условиях dR_Q/dI>0 с ростом составляющих I и Т необходимо увеличивать величину эмиттерных резисторов. Из сотношений (2.4)-(2.6) следует:

. (2.8)

где U_эб.0 – напряжение эмиттер-база при I=I_р, T=T_р. Критическое падение напряжения на резисторе R₀ определяется выражением:

, (2.9)

где (ΔТ)_раб=IU_кэR_тп,, а R_тп – полное тепловое сопротивление. Полагая (ΔТ)_раб=170^оС и R_т/R_тп=1, получим для наиболее тяжелого режима U≈250 мВ.

Таким образом, номинал эмиттерного резистора в расчете на весь транзистор следует выбирать так, чтобы падение напряжения на нем превышало величину U₀ , причем чем больше отношение U_R /U₀ , тем больше степень защиты транзистора от отказа. Большей равномерности распределения тока можно достигнуть уменьшая тепловое сопротивление транзистора. Наиболее опасным режимом является случай не высокой температуры перехода, а случай повышенной разницы между температурой корпуса и перехода.

На рис.2.4 представлен схемотехнический вариант реализации функциональной схемы (рис.2.2). Он содержит: распределитель сигнала управления - VT8, VT9, I3, I4; первый усилитель (У1) - VT11, VT12, R9-R11, VD1; второй усилитель (У2) - VT10, VT13-VT16, R12-R15, C1, I5; первый датчик тока (ДТ1) - R16; первый мощный транзистор (МТ1) - VT18; второй мощный транзистор (МТ2) - VT1,VT2; второй датчик тока (ДТ2) - R17; датчик тока (ДТ) - VT4, R4, R5; управляемый источник тока (УИТ) - (VT3); третий усилитель (УЗ) VT50, VT7, R6-R8, 11, 12; защиту по мощности (ЗМ) - VT19, VT20, R18-R21.

.

Схема функционирует следующим образом. При малом значении напряжения U_p транзисторы элемента РСУ находятся в активном режиме и сигнал и поступает на входы элементов У1 и МТ2. Усиливаясь в У1, сигнал управления переводит МТ1 в активный режим, при этом элемент МТ2 находится в обесточенном режиме. Максимальный ток элемента МТ1 определяется выражениями:

, (2.10)

, (2.11)

, (2.12)

где φ_т - тепловой потенциал, N=S₁₆/S₁₇ - отношение площадей эмиттеров транзисторов VT15 и VT17, I_к1 - ток коллектора i-го транзистора. При U_x >U_p >U_VD2 ток стабилитрона VD2 находится из соотношения:

. (2.13)

При условии U_р>U_х получаем:

, (2.14)

где U_х =U_бэ19(1+R₁₈ /R₁₉ ), U_VD1 - напряжение пробоя i-го стабилитрона. В этом случае напряжение на выходе элемента РСУ повышается и элемент МТ2 входит в активный режим. Максимальный ток МТ2 определяется выражениями:

, (2.15)

. (2.16)

При этом элемент МТ1 находится в обесточенном режиме. Элемент ЗМ изменяет порог ограничения токовой защиты, обеспечивая переключение РЭ и защиту по мощности всего МАИЭ в целом.

Таким образом, данное схемное решение позволяет получить более высокие энергетичесие параметры МАИЭ за счет использования двух регулирующих элементов у одного из которых ОБР расширена в сторону больших токов, а у другого - в сторону высоких напряжений.