ТЕОРИЯ СВЕРХБЫСТРОГО ВЫКЛЮЧЕНИЯ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ
66 В. В. Тогатов, П. А. Гнатюк, Д. С. Терновский
УДК 621.317.7.027.3; 621.319.027.3
В. В. ТОГАТОВ, П. А. ГНАТЮК, Д. С. ТЕРНОВСКИЙ
ТЕОРИЯ СВЕРХБЫСТРОГО ВЫКЛЮЧЕНИЯ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ
Рассмотрен режим сверхбыстрого выключения высоковольтного МОП-транзистора, при котором время переключения прибора не превышает единиц наносекунд. Дано объяснение механизма сверхбыстрого выключения и предложена его математическая модель. Приведены результаты прямых экспериментов, подтверждающих наличие механизма сверхбыстрого выключения.
Ключевые слова: МОП-транзистор, высоковольтная техника, импульсная техника, техника наносекундного диапазона.
В работе [1] предложена теория сверхбыстрого включения МОП-транзистора, в которой установлено, что в общем случае процесс включения МОП-транзистора состоит из двух этапов: сверхбыстрого включения и установления стационарного состояния. При этом постоянная времени на этапе установления на порядок и более превышает длительность этапа сверхбыстрого включения, составляющую единицы наносекунд.
В развитие этой теории в настоящей статье рассматривается режим сверхбыстрого выключения МОП-транзистора, который также реализуется в два этапа: сверхбыстрого выключения, составляющего единицы наносекунд, и более медленного этапа спада тока. В статье использованы обозначения, принятые в работе [1].
Анализ режима сверхбыстрого выключения. Проанализируем процесс выключения МОП-транзистора из режима насыщения, когда ток стока iD в момент переключения ограничивается элементами внешней цепи. На рис. 1 показана схема выключения транзистора Q. К цепи стока транзистора через омическую нагрузку RL подключен источник постоянного напряжения VН. Схема дополнена элементами, учитывающими индуктивности LD и LS выводов транзистора и токоподводящих дорожек в цепях стока и истока. На схеме также показаны межэлектродные емкости CGS, CGD и CDS.
VGD iGD CGD
LD iD iT
CDS
iDS VDS
RL VOut
iGS CGS
Q
VIn iS
VGS LS
VL
VH
Рис. 1
При анализе процесса выключения будем использовать кусочно-линейную аппроксима-
цию передаточной характеристики МОП-транзистора. Согласно этой аппроксимации ток
транзистора
iT
=
⎪⎧0, VGS
⎨⎪⎩S (VGS
≤VTh −VTh
;
),
VGS
>VTh
,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Теория сверхбыстрого выключения МОП-транзисторов
67
где S — крутизна транзистора, VGS — напряжение на емкости CGS, VTh — пороговое напряжение транзистора; согласно принятой аппроксимации ток iT определяется только напряжением VGS на емкости CGS и не зависит от токов, протекающих через емкости CGD и CDS.
После подачи в цепь затвора транзистора отрицательного напряжения VR емкость CGS, заряженная до положительного напряжения VGS(0) = VF, перезаряжается через индуктивность LS в цепи истока. На этапе задержки при выключении транзистора ток iT остается постоянным и равным току насыщения (iD)Sat. Момент окончания этапа задержки t = tDel, соответствующий переходу транзистора в активный режим, определяется из уравнения
VGS (tDel )−VTh
=
(iD )Sat S
.
В этом уравнении за начало отчета t = 0 принят момент изменения полярности затвор-
ного напряжения. При мгновенном переключении напряжения VF на –VR и нулевом сопротивлении в цепи затвора ток затвора в момент окончания задержки определяется как [2]
iGS
(tDel
)
=
−
IF
−(iD S
)Sat
CGS LS
⎡⎢1+ 2 ⎣
(iD )Sat + IR IF −(iD )Sat
⎤ ⎥ ⎦
,
(1)
где (iD )Sat =VH / RL , IF = S (VF −VTh ) , IR = S (VR +VTh ) .
При уменьшении напряжения затвор-исток до значения VGS(tDel) транзистор переходит в активный режим и ток через транзистор уменьшается. При выводе переходной характеристи-
ки тока iT(t) воспользуемся следующими соотношениями:
−VR
=VGS +VL ,
VL
= LS
diS dt
,
VGS
=VTh
+∆VGS ,
iS
= iT
+iGS ,
iT
= S∆VGS ,
iGS
= CGS
d∆VGS dt
.
Здесь ∆VGS — превышение напряжения VGS над пороговым VTh, VL — напряжение на индуктивности LS.
Комбинируя эти выражения, получаем уравнение, определяющее переходную характе-
ристику тока iT(t) МОП-транзистора:
d
2 ∆VGS dt 2
+
S CGS
d∆VGS dt
+
1 LSCGS
∆VGS
=
−
VR +VTh LSCGS
.
(2)
Примем за начало отсчета (t = 0) на этапе спада тока момент перехода транзистора в ак-
тивный режим (момент окончания этапа задержки tDel). Тогда начальные условия задачи на
этом этапе могут быть записаны в следующем виде:
∆VGS
(0)
=
(iD )Sat
S
,
d∆VGS dt
(0)
=
iGS (tDel CGS
)
.
Решение уравнения (2) при начальных условиях (3) приводится к виду
(3)
iT
(t)
=
−IR
+ e−δt
⎡⎢( IR
⎣
+ (iD
)Sat
) ⎛⎜
⎝
δ γ
shγt +chγt
⎞⎟ + ⎠
2δiGS (tDel γ
)
shγt
⎤ ⎥
⎦
,
(4)
где
δ=
S 2CGS
,
γ=
δ2
−
1 LSCGS
.
Для упрощения выражения (4) воспользуемся приближенными равенствами:
γ
≈
S 2CGS
−
1 SLS
,
δ γ
≈1+
2CGS S 2 LS
.
При значениях этих параметров, используемых в последующих расчетах, погрешность
определения величин γ и δ γ составляет менее 1 %. Пренебрегая также членами второго по-
рядка малости, получаем следующее выражение для тока транзистора:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
68 В. В. Тогатов, П. А. Гнатюк, Д. С. Терновский
iT
(t)
=
−IR
+
⎡⎣
IR
+iS
(tDel
)⎦⎤
−
e
t SLS
,
(5)
здесь iS (tDel ) = (iD )Sat −iGS (tDel ) — ток в цепи истока в момент окончания этапа задержки.
Из выражения (5) следует, что постоянная времени на этапе спада тока при выключении
транзистора такая же, как при включении [1]: τoff = τon = SLS. Вместе с тем асимптотическое
значение тока iT(t) в уравнении (5) равно не нулю, а −IR = −S (VR +VTh ) . Поэтому при боль-
шом значении напряжения VR время спада тока iT до нуля может быть много меньше τoff. В момент перехода транзистора из режима насыщения в активный режим (t = 0) ток
стока (iD)Sat скачком уменьшается на величину iGS(tDel) (1), т.е. реализуется режим сверхбыстрого выключения транзистора. Если iGS (tDel ) ≥ (iD )Sat , то ток iT скачком уменьшается до нуля.
Физический смысл режима сверхбыстрого выключения аналогичен смыслу режима сверхбыст-
рого включения [1]. До тех пор, пока ток iT(t) не достигнет величины iS (tDel ) = (iD )Sat −iGS (tDel ) ,
отрицательная обратная связь, обусловленная индуктивностью LS, в транзисторе будет отсутствовать. В дальнейшем спад тока iT осуществляется в соответствии с уравнением (5).
Уравнение (5) правильно отражает факт наличия процесса сверхбыстрого выключения.
Вместе с тем следующее из этого уравнения скачкообразное изменение тока iT в момент t = 0 является идеализацией реального процесса быстрого спада тока. Длительность спада тока iT
на этапе сверхбыстрого выключения определяется током iGS (tDel ) разряда емкости CGS с на-
пряжения VGS (tDel ) до порогового напряжения VTh . Зависимость спада тока iT на этом этапе
определяется уравнением (4).
Оценим влияние емкостей CGD и CDS на характер спада тока при выключении транзистора. С учетом направлений емкостных токов можно записать
iD
= iT
+ iDG
+ iDS
= iT
+ CGD
dVGD dt
+ CDS
dVDS dt
,
VDS =VH − RLiD −VL .
В высоковольтных схемах напряжение сток-исток VDS при выключении транзистора намного превышает напряжения VL и VGS. Поэтому в первом приближении можно считать
VGD =VDS ≈VH − RLiD . При этом уравнение, определяющее спад тока нагрузки, приводится к
виду
diD dt
+
1 CRL
iD
−
1 CRL
iT
(t )
=
0
,
(6)
где C = CDS +CGD .
Начальное условие задачи характеризуется выражением
iD (0) = (iD )Sat
=
VH RL
.
(7)
Проанализируем реакцию тока стока iD(t) на мгновенный спад тока транзистора со значения (iD)Sat до нуля, т.е. положим в уравнении (6) iT (t) ≡ 0 . При этом условии уравнение (6) принимает вид
iD
=
VH RL
e
−
t RLC
.
В общем случае ток стока определяется уравнением
(8)
∫iD
t
=
−
e
RLC
⎡ ⎢
1
⎢ ⎣
RLC
tt
iT (t)e RLC
0
dt +(iD )Sat
⎤ ⎥ ⎥ ⎦
.
(9)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Теория сверхбыстрого выключения МОП-транзисторов
69
На рис. 2 приведены зависимости toff(VF) при СGS = 3 нФ (кривая 1) и toff(СGS) при VF = 20 В (кривая 2), рассчитанные по уравнениям (4) и (9) при следующих значениях параметров:
C = 100 пкФ, S = 20 А/В, ISat = 25 A, VR = 0, VTh = 3 В, RL = 5 Ом и LS = 4 нГн. Время выключения определялось на временном интервале изменения тока стока от значения (iD)Sat до 0,1(iD)Sat. Как следует из графика, при изменении емкости СGS от 1 до 5 нФ время выключения снизилось с 15 до 2,4 нс. Аналогично, с увеличением напряжения VF с 10 до 25 В время выключения снизилось с 17,5 до 2,5 нс. В обоих случаях снижение времени выключения связано с
увеличением времени разряда емкости СGS до порогового напряжения VTh. А это, в свою оче-
редь приводит к росту тока iGS (tDel ) , который вычитается из (iD)Sat. Таким образом, характер
рассмотренных зависимостей соответствует концепции сверхбыстрого выключения.
toff, нс C
15
1
10 2
5
0 5 10 15 20 25 30 VF, В
1 2,5 4
5,5 7 Рис. 2
8,5 10 CGS, нФ
Для экспериментального обоснования функционирования режима сверхбыстрого вы-
ключения были сняты осциллограммы напряжения VL на сопротивлении нагрузки RL = 5,5 Ом
при VH = 140 В (рис. 3). Транзистор IRF3415 выключался при VR = 0 и двух значениях затвор-
ного напряжения, предшествующего выключению: VF = 10 В (кривая 1) и VF = 20 В (кривая 2).
Так как крутизна исследуемого транзистора S = 20 А/В, то в обоих случаях транзистор вы-
ключался из режима глубокого насыщения. Как следует из осциллограмм, время спада тока
стока, измеренное между уровнями (iD)Sat = 0,1…0,9, за счет увеличения затворного напряже-
ния снизилось почти в 3 раза — с 16 до 5,5 нс.
VL, В
140
120
100 80 1
60 40
2
20
0 5 10 15 20 25 30 35 40 t, нс
Рис. 3
Как и в режиме сверхбыстрого включения, поведение МОП-транзистора в режиме сверхбыстрого выключения не укладывается в рамки общепринятых представлений. Согласно последним, время выключения МОП-транзистора определяется процессом перезаряда собственных емкостей. В этом смысле увеличение амплитуды импульса прямого напряжения, подаваемого на затвор, никак не может приводить к снижению времени переключения. Однако в режиме сверхбыстрого выключения наблюдается именно эта картина, которая хорошо
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
70 В. В. Тогатов, П. А. Гнатюк, Д. С. Терновский
согласуется и с рассмотренным механизмом переключения МОП-транзистора в данном режиме, и с результатом прямого эксперимента.
В заключение представленного анализа режима сверхбыстрого выключения МОП-транзистора приведем следующие выводы:
— показано, что при выключении МОП-транзистора из режима насыщения в общем случае реализуются два режима: режим сверхбыстрого выключения и режим сравнительно медленного спада тока с постоянной времени на этапе спада SLS;
— установлено, что за счет предварительной накачки тока, осуществляемой в период задержки по цепи затвора, ток стока по окончании задержки снижается на величину тока затвора (в пределе до нуля) за время, не превышающее единиц наносекунд;
— сформулирована математическая модель режима сверхбыстрого выключения; — справедливость механизма сверхбыстрого переключения подтверждена прямым экспериментом.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тогатов В. В., Гнатюк П. А., Терновский Д. С. Теория сверхбыстрого включения МОП-транзисторов // Науч.-техн. вестн. Санкт-Петербург. гос. ун-та информационных технологий, механики и оптики. 2009. № 4(62). С. 68—74.
2. Тогатов В. В., Гнатюк П. А., Терновский Д. С. Коммутационные процессы в высокочастотных преобразователях // Приборы и техника эксперимента. 2008. № 6. С. 32—43.
Вячеслав Вячеславович Тогатов Петр Анастасьевич Гнатюк Дмитрий Сергеевич Терновский
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электроники; E-mail: v.togatov@mail.ru — Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электроники; науч. сотрудник; E-mail: gnatyuk@mail.ru — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электроники; E-mail: dm-ternovsky@mail.ru
Рекомендована кафедрой электроники
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
УДК 621.317.7.027.3; 621.319.027.3
В. В. ТОГАТОВ, П. А. ГНАТЮК, Д. С. ТЕРНОВСКИЙ
ТЕОРИЯ СВЕРХБЫСТРОГО ВЫКЛЮЧЕНИЯ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ
Рассмотрен режим сверхбыстрого выключения высоковольтного МОП-транзистора, при котором время переключения прибора не превышает единиц наносекунд. Дано объяснение механизма сверхбыстрого выключения и предложена его математическая модель. Приведены результаты прямых экспериментов, подтверждающих наличие механизма сверхбыстрого выключения.
Ключевые слова: МОП-транзистор, высоковольтная техника, импульсная техника, техника наносекундного диапазона.
В работе [1] предложена теория сверхбыстрого включения МОП-транзистора, в которой установлено, что в общем случае процесс включения МОП-транзистора состоит из двух этапов: сверхбыстрого включения и установления стационарного состояния. При этом постоянная времени на этапе установления на порядок и более превышает длительность этапа сверхбыстрого включения, составляющую единицы наносекунд.
В развитие этой теории в настоящей статье рассматривается режим сверхбыстрого выключения МОП-транзистора, который также реализуется в два этапа: сверхбыстрого выключения, составляющего единицы наносекунд, и более медленного этапа спада тока. В статье использованы обозначения, принятые в работе [1].
Анализ режима сверхбыстрого выключения. Проанализируем процесс выключения МОП-транзистора из режима насыщения, когда ток стока iD в момент переключения ограничивается элементами внешней цепи. На рис. 1 показана схема выключения транзистора Q. К цепи стока транзистора через омическую нагрузку RL подключен источник постоянного напряжения VН. Схема дополнена элементами, учитывающими индуктивности LD и LS выводов транзистора и токоподводящих дорожек в цепях стока и истока. На схеме также показаны межэлектродные емкости CGS, CGD и CDS.
VGD iGD CGD
LD iD iT
CDS
iDS VDS
RL VOut
iGS CGS
Q
VIn iS
VGS LS
VL
VH
Рис. 1
При анализе процесса выключения будем использовать кусочно-линейную аппроксима-
цию передаточной характеристики МОП-транзистора. Согласно этой аппроксимации ток
транзистора
iT
=
⎪⎧0, VGS
⎨⎪⎩S (VGS
≤VTh −VTh
;
),
VGS
>VTh
,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Теория сверхбыстрого выключения МОП-транзисторов
67
где S — крутизна транзистора, VGS — напряжение на емкости CGS, VTh — пороговое напряжение транзистора; согласно принятой аппроксимации ток iT определяется только напряжением VGS на емкости CGS и не зависит от токов, протекающих через емкости CGD и CDS.
После подачи в цепь затвора транзистора отрицательного напряжения VR емкость CGS, заряженная до положительного напряжения VGS(0) = VF, перезаряжается через индуктивность LS в цепи истока. На этапе задержки при выключении транзистора ток iT остается постоянным и равным току насыщения (iD)Sat. Момент окончания этапа задержки t = tDel, соответствующий переходу транзистора в активный режим, определяется из уравнения
VGS (tDel )−VTh
=
(iD )Sat S
.
В этом уравнении за начало отчета t = 0 принят момент изменения полярности затвор-
ного напряжения. При мгновенном переключении напряжения VF на –VR и нулевом сопротивлении в цепи затвора ток затвора в момент окончания задержки определяется как [2]
iGS
(tDel
)
=
−
IF
−(iD S
)Sat
CGS LS
⎡⎢1+ 2 ⎣
(iD )Sat + IR IF −(iD )Sat
⎤ ⎥ ⎦
,
(1)
где (iD )Sat =VH / RL , IF = S (VF −VTh ) , IR = S (VR +VTh ) .
При уменьшении напряжения затвор-исток до значения VGS(tDel) транзистор переходит в активный режим и ток через транзистор уменьшается. При выводе переходной характеристи-
ки тока iT(t) воспользуемся следующими соотношениями:
−VR
=VGS +VL ,
VL
= LS
diS dt
,
VGS
=VTh
+∆VGS ,
iS
= iT
+iGS ,
iT
= S∆VGS ,
iGS
= CGS
d∆VGS dt
.
Здесь ∆VGS — превышение напряжения VGS над пороговым VTh, VL — напряжение на индуктивности LS.
Комбинируя эти выражения, получаем уравнение, определяющее переходную характе-
ристику тока iT(t) МОП-транзистора:
d
2 ∆VGS dt 2
+
S CGS
d∆VGS dt
+
1 LSCGS
∆VGS
=
−
VR +VTh LSCGS
.
(2)
Примем за начало отсчета (t = 0) на этапе спада тока момент перехода транзистора в ак-
тивный режим (момент окончания этапа задержки tDel). Тогда начальные условия задачи на
этом этапе могут быть записаны в следующем виде:
∆VGS
(0)
=
(iD )Sat
S
,
d∆VGS dt
(0)
=
iGS (tDel CGS
)
.
Решение уравнения (2) при начальных условиях (3) приводится к виду
(3)
iT
(t)
=
−IR
+ e−δt
⎡⎢( IR
⎣
+ (iD
)Sat
) ⎛⎜
⎝
δ γ
shγt +chγt
⎞⎟ + ⎠
2δiGS (tDel γ
)
shγt
⎤ ⎥
⎦
,
(4)
где
δ=
S 2CGS
,
γ=
δ2
−
1 LSCGS
.
Для упрощения выражения (4) воспользуемся приближенными равенствами:
γ
≈
S 2CGS
−
1 SLS
,
δ γ
≈1+
2CGS S 2 LS
.
При значениях этих параметров, используемых в последующих расчетах, погрешность
определения величин γ и δ γ составляет менее 1 %. Пренебрегая также членами второго по-
рядка малости, получаем следующее выражение для тока транзистора:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
68 В. В. Тогатов, П. А. Гнатюк, Д. С. Терновский
iT
(t)
=
−IR
+
⎡⎣
IR
+iS
(tDel
)⎦⎤
−
e
t SLS
,
(5)
здесь iS (tDel ) = (iD )Sat −iGS (tDel ) — ток в цепи истока в момент окончания этапа задержки.
Из выражения (5) следует, что постоянная времени на этапе спада тока при выключении
транзистора такая же, как при включении [1]: τoff = τon = SLS. Вместе с тем асимптотическое
значение тока iT(t) в уравнении (5) равно не нулю, а −IR = −S (VR +VTh ) . Поэтому при боль-
шом значении напряжения VR время спада тока iT до нуля может быть много меньше τoff. В момент перехода транзистора из режима насыщения в активный режим (t = 0) ток
стока (iD)Sat скачком уменьшается на величину iGS(tDel) (1), т.е. реализуется режим сверхбыстрого выключения транзистора. Если iGS (tDel ) ≥ (iD )Sat , то ток iT скачком уменьшается до нуля.
Физический смысл режима сверхбыстрого выключения аналогичен смыслу режима сверхбыст-
рого включения [1]. До тех пор, пока ток iT(t) не достигнет величины iS (tDel ) = (iD )Sat −iGS (tDel ) ,
отрицательная обратная связь, обусловленная индуктивностью LS, в транзисторе будет отсутствовать. В дальнейшем спад тока iT осуществляется в соответствии с уравнением (5).
Уравнение (5) правильно отражает факт наличия процесса сверхбыстрого выключения.
Вместе с тем следующее из этого уравнения скачкообразное изменение тока iT в момент t = 0 является идеализацией реального процесса быстрого спада тока. Длительность спада тока iT
на этапе сверхбыстрого выключения определяется током iGS (tDel ) разряда емкости CGS с на-
пряжения VGS (tDel ) до порогового напряжения VTh . Зависимость спада тока iT на этом этапе
определяется уравнением (4).
Оценим влияние емкостей CGD и CDS на характер спада тока при выключении транзистора. С учетом направлений емкостных токов можно записать
iD
= iT
+ iDG
+ iDS
= iT
+ CGD
dVGD dt
+ CDS
dVDS dt
,
VDS =VH − RLiD −VL .
В высоковольтных схемах напряжение сток-исток VDS при выключении транзистора намного превышает напряжения VL и VGS. Поэтому в первом приближении можно считать
VGD =VDS ≈VH − RLiD . При этом уравнение, определяющее спад тока нагрузки, приводится к
виду
diD dt
+
1 CRL
iD
−
1 CRL
iT
(t )
=
0
,
(6)
где C = CDS +CGD .
Начальное условие задачи характеризуется выражением
iD (0) = (iD )Sat
=
VH RL
.
(7)
Проанализируем реакцию тока стока iD(t) на мгновенный спад тока транзистора со значения (iD)Sat до нуля, т.е. положим в уравнении (6) iT (t) ≡ 0 . При этом условии уравнение (6) принимает вид
iD
=
VH RL
e
−
t RLC
.
В общем случае ток стока определяется уравнением
(8)
∫iD
t
=
−
e
RLC
⎡ ⎢
1
⎢ ⎣
RLC
tt
iT (t)e RLC
0
dt +(iD )Sat
⎤ ⎥ ⎥ ⎦
.
(9)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Теория сверхбыстрого выключения МОП-транзисторов
69
На рис. 2 приведены зависимости toff(VF) при СGS = 3 нФ (кривая 1) и toff(СGS) при VF = 20 В (кривая 2), рассчитанные по уравнениям (4) и (9) при следующих значениях параметров:
C = 100 пкФ, S = 20 А/В, ISat = 25 A, VR = 0, VTh = 3 В, RL = 5 Ом и LS = 4 нГн. Время выключения определялось на временном интервале изменения тока стока от значения (iD)Sat до 0,1(iD)Sat. Как следует из графика, при изменении емкости СGS от 1 до 5 нФ время выключения снизилось с 15 до 2,4 нс. Аналогично, с увеличением напряжения VF с 10 до 25 В время выключения снизилось с 17,5 до 2,5 нс. В обоих случаях снижение времени выключения связано с
увеличением времени разряда емкости СGS до порогового напряжения VTh. А это, в свою оче-
редь приводит к росту тока iGS (tDel ) , который вычитается из (iD)Sat. Таким образом, характер
рассмотренных зависимостей соответствует концепции сверхбыстрого выключения.
toff, нс C
15
1
10 2
5
0 5 10 15 20 25 30 VF, В
1 2,5 4
5,5 7 Рис. 2
8,5 10 CGS, нФ
Для экспериментального обоснования функционирования режима сверхбыстрого вы-
ключения были сняты осциллограммы напряжения VL на сопротивлении нагрузки RL = 5,5 Ом
при VH = 140 В (рис. 3). Транзистор IRF3415 выключался при VR = 0 и двух значениях затвор-
ного напряжения, предшествующего выключению: VF = 10 В (кривая 1) и VF = 20 В (кривая 2).
Так как крутизна исследуемого транзистора S = 20 А/В, то в обоих случаях транзистор вы-
ключался из режима глубокого насыщения. Как следует из осциллограмм, время спада тока
стока, измеренное между уровнями (iD)Sat = 0,1…0,9, за счет увеличения затворного напряже-
ния снизилось почти в 3 раза — с 16 до 5,5 нс.
VL, В
140
120
100 80 1
60 40
2
20
0 5 10 15 20 25 30 35 40 t, нс
Рис. 3
Как и в режиме сверхбыстрого включения, поведение МОП-транзистора в режиме сверхбыстрого выключения не укладывается в рамки общепринятых представлений. Согласно последним, время выключения МОП-транзистора определяется процессом перезаряда собственных емкостей. В этом смысле увеличение амплитуды импульса прямого напряжения, подаваемого на затвор, никак не может приводить к снижению времени переключения. Однако в режиме сверхбыстрого выключения наблюдается именно эта картина, которая хорошо
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
70 В. В. Тогатов, П. А. Гнатюк, Д. С. Терновский
согласуется и с рассмотренным механизмом переключения МОП-транзистора в данном режиме, и с результатом прямого эксперимента.
В заключение представленного анализа режима сверхбыстрого выключения МОП-транзистора приведем следующие выводы:
— показано, что при выключении МОП-транзистора из режима насыщения в общем случае реализуются два режима: режим сверхбыстрого выключения и режим сравнительно медленного спада тока с постоянной времени на этапе спада SLS;
— установлено, что за счет предварительной накачки тока, осуществляемой в период задержки по цепи затвора, ток стока по окончании задержки снижается на величину тока затвора (в пределе до нуля) за время, не превышающее единиц наносекунд;
— сформулирована математическая модель режима сверхбыстрого выключения; — справедливость механизма сверхбыстрого переключения подтверждена прямым экспериментом.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тогатов В. В., Гнатюк П. А., Терновский Д. С. Теория сверхбыстрого включения МОП-транзисторов // Науч.-техн. вестн. Санкт-Петербург. гос. ун-та информационных технологий, механики и оптики. 2009. № 4(62). С. 68—74.
2. Тогатов В. В., Гнатюк П. А., Терновский Д. С. Коммутационные процессы в высокочастотных преобразователях // Приборы и техника эксперимента. 2008. № 6. С. 32—43.
Вячеслав Вячеславович Тогатов Петр Анастасьевич Гнатюк Дмитрий Сергеевич Терновский
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электроники; E-mail: v.togatov@mail.ru — Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электроники; науч. сотрудник; E-mail: gnatyuk@mail.ru — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электроники; E-mail: dm-ternovsky@mail.ru
Рекомендована кафедрой электроники
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4