The Turn-off Features of a Composite Power Transistor Operating on an Inductive Load
Keywords:
power semiconductor switch, field-controlled thyristor (FCT), cascode control, switching overvoltage, static and dynamic blocking capabilities
Abstract
The main factors causing failures of composite power switches in the course of their turn-off transients are considered. The existing methods for reducing the dynamic overvoltages applied to the switch components are described, and the main drawbacks of these methods are pointed out.
The mechanisms and peculiarities of the transient associated with turning off composite power switches are analyzed. A composite switch equivalent circuit that takes into account the parasitic components affecting the dynamic processes in the circuit as proposed. Analytical expressions for the voltages applied to the circuit elements determining the dynamic overloads in the circuit for oscillatory and aperiodic cases are obtained. Criteria for estimating whether composite power switches retain their blocking capability in switching are developed.
The features pertinent to the turning off process of the basic switch element intended for its use in high-voltage circuits, the control principle of which is similar to that of a composite power switch designed for twice as high maximum permissible voltage, are studied. Criteria for estimating whether the basic switch element retains its blocking capability in switching processes are formulated. The advantages of the high-voltage basic switch element topology in dynamic switching modes are shown.
References
1. Воронин П.А., Воронин И.П., Панфилов Д.И., Духнич Е.М. Оптимизация статических и динамических параметров мощного составного ключа с полевым управлением // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2016. № 4. С. 91—102.
2. Бормотов А., Гришанин А., Мартыненко В., Мускатиньев В., Чибиркин В. Современные силовые полупроводниковые приборы для энергоэффективных технологий // Электроника: наука, технология, бизнес. 2010. № 4. С. 36—44.
3. Розанов Ю.К., Воронин П.А., Рывкин С.Е., Чаплыгин Е.Е. Справочник по силовой электронике. М.: Издат. дом МЭИ, 2014.
4. Пат. 2268545 РФ. Полупроводниковое ключевое устройство / О.И. Бономорский, П.А. Воронин // Бюл. изобрет. 2006. № 2.
5. Pat. 4945266 US. Composite Semiconductor Device.6. Pat. 19610135 DE. Electronische Einrichtung, Insbesondere zum Schalten Elektrischer Ströme, für Hohe Sperrspannungen und Mit Geringen Durschlaßverlusten.
7. Бономорский О.И., Воронин П.А, Щепкин Н.П. Быстродействующий каскодный ключ с полевым управлением // Силовая электроника. 2005. № 1. С. 42—44.
8. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Experimental and Numerical Study of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO) // IEEE Trans. Power Electronics. 2000. Pp. 561—574.
9. Bakowski M., Gustafsson U. The Two Basic Failure Modes in GTO Modeling and Experiment // Proc. Power Semiconductor Devices and ICs. 2002. Pp. 354—368.
10. Huang A.Q., Li Y., Motto K., Xu A.Z., Lee F.C. High Power Snubberless Switching with the Emitter Turn- off Thyristor (ETO) // Proc. Power Electronics Conf. 1998. Pp. 269—279.
11. Новиков П. Защита силового транзистора. Ч. 1. Перенапряжение // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 10—12.
12. Кюрегян А.С. Подпороговые характеристики транзисторов и тиристоров с электростатическим управлением. Ч. II. Глубокий планарный затвор // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. № 4. С. 497—503.
13. Li X., Huang A.Q., Li Y. Analytical GTO Turn- off Model under Snubbberless Turn-off Condition // Microelectronics J. 2003. V. 34. Pp. 297—304.
14. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Analysis of the Snubberless Operation of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO) // Proc. IEEE Intern. Conf. Power Electronics and Drive Syst. 2002. Pp. 238—245.
15. Пат. 168443 РФ. Высоковольтное ключевое устройство / И.П. Воронин, П.А. Воронин, С.Ю. Кузин // Бюл. изобрет. 2017. № 4.
16. Бономорский О.И., Кюрегян А.С., Горбатюк А.В., Иванов Б.В. Сравнительный анализ статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и тиристоров с полевым управлением // Электротехника. 2015. № 2. С. 51—56.
---
Для цитирования: Воронин П.А., Воронин И.П., Духнич Е.М. Особенности выключения мощного составного транзистора при работе на индуктивную нагрузку // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 94—100. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-94-100.
#
1. Voronin P.A., Voronin I.P., Panfilov D.I., Dukh- nich E.M. Optimizatsiya Staticheskikh i Dinamicheskikh Parametrov Moshchnogo Sostavnogo Klyucha s Polevym Upravleniem. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2016; 4:91—102. (in Russian).
2. Bormotov A., Grishanin A., Martynenko V., Muskatin'ev V., Chibirkin V. Sovremennye Silovye Poluprovodnikovye Pribory dlya Energoeffektivnykh Tekhnologiy. Elektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes. 2010;4:36—44. (in Russian).
3. Rozanov Yu.K., Voronin P.A., Ryvkin S.E., Chap- lygin E.E. Spravochnik po Silovoy Elektronike. M.: Izdat. Dom MEI, 2014. (in Russian).
4. Pat. 2268545 RF. Poluprovodnikovoe Klyuchevoe Ustroystvo. O.I. Bonomorskiy, P.A. Voronin. Byul. Izobret.2006;2. (in Russian).
5. Pat. 4945266 US. Composite Semiconductor Device.
6. Pat. 19610135 DE. Electronische Einrichtung, Insbesondere zum Schalten Elektrischer Ströme, für Hohe Sperrspannungen und Mit Geringen Durschlaßverlusten.
7. Bonomorskiy O.I., Voronin P.A, Shchepkin N.P. Bystrodeystvuyushchiy Kaskodnyy Klyuch s Polevym Upravleniem. Silovaya Elektronika. 2005;1:42—44. (in Russian).
8. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Experimental and
Numerical Study of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). IEEE Trans. Power Electronics. 2000:561—574.
9. Bakowski M., Gustafsson U. The Two Basic Failure Modes in GTO Modeling and Experiment. Proc. Power Semiconductor Devices and ICs. 2002:354—368.
10. Huang A.Q., Li Y., Motto K., Xu A.Z., Lee F.C. High Power Snubberless Switching with the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). Proc. Power Electronics Conf. 1998:269—279.
11. Novikov P. Zashchita Silovogo Tranzistora. Ch. 1. Perenapryazhenie. Silovaya Elektronika. 2012;4:10—12. (in Russian).
12. Kyuregyan A.S. Podporogovye Kharakteristiki Tranzistorov i Tiristorov s Elektrostaticheskim Upravleniem. Ch. II. Glubokiy Planarnyy Zatvor. Fizika i Tekh- nika Poluprovodnikov. 1998;32;4:l497—503. (in Russian).
13. Li X., Huang A.Q., Li Y. Analytical GTO Turn-off Model under Snubbberless Turn-off Condition. Microelectronics J. 2003;34:297—304.
14. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Analysis of the Snubberless Operation of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). Proc. IEEE Intern. Conf. Power Electronics and Drive Syst. 2002:238—245.
15. Pat. 168443 RF. Vysokovol'tnoe Klyuchevoe Ustroystvo. I.P. Voronin, P.A. Voronin, S.Yu. Kuzin. Byul. Izobret. 2017;4. (in Russian).
16. Bonomorskiy O.I., Kyuregyan A.S., Gorbatyuk A.V., Ivanov B.V. Sravnitel'nyy Analiz Staticheskikh Kharakteristik Bipolyarnykh Tranzistorov s Izolirovannym Zatvorom i Tiristorov s Polevym upravleniem. Elektrotekhnika. 2015;2:51—56. (in Russian).
---
For citation: Voronin P.A., Voronin I.P., Dukhnich E.M. The Turn-off Features of a Composite Power Transistor Operating on an Inductive Load. Bulletin of MPEI. 2019;2:94—100. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-94-100.
2. Бормотов А., Гришанин А., Мартыненко В., Мускатиньев В., Чибиркин В. Современные силовые полупроводниковые приборы для энергоэффективных технологий // Электроника: наука, технология, бизнес. 2010. № 4. С. 36—44.
3. Розанов Ю.К., Воронин П.А., Рывкин С.Е., Чаплыгин Е.Е. Справочник по силовой электронике. М.: Издат. дом МЭИ, 2014.
4. Пат. 2268545 РФ. Полупроводниковое ключевое устройство / О.И. Бономорский, П.А. Воронин // Бюл. изобрет. 2006. № 2.
5. Pat. 4945266 US. Composite Semiconductor Device.6. Pat. 19610135 DE. Electronische Einrichtung, Insbesondere zum Schalten Elektrischer Ströme, für Hohe Sperrspannungen und Mit Geringen Durschlaßverlusten.
7. Бономорский О.И., Воронин П.А, Щепкин Н.П. Быстродействующий каскодный ключ с полевым управлением // Силовая электроника. 2005. № 1. С. 42—44.
8. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Experimental and Numerical Study of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO) // IEEE Trans. Power Electronics. 2000. Pp. 561—574.
9. Bakowski M., Gustafsson U. The Two Basic Failure Modes in GTO Modeling and Experiment // Proc. Power Semiconductor Devices and ICs. 2002. Pp. 354—368.
10. Huang A.Q., Li Y., Motto K., Xu A.Z., Lee F.C. High Power Snubberless Switching with the Emitter Turn- off Thyristor (ETO) // Proc. Power Electronics Conf. 1998. Pp. 269—279.
11. Новиков П. Защита силового транзистора. Ч. 1. Перенапряжение // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 10—12.
12. Кюрегян А.С. Подпороговые характеристики транзисторов и тиристоров с электростатическим управлением. Ч. II. Глубокий планарный затвор // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. № 4. С. 497—503.
13. Li X., Huang A.Q., Li Y. Analytical GTO Turn- off Model under Snubbberless Turn-off Condition // Microelectronics J. 2003. V. 34. Pp. 297—304.
14. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Analysis of the Snubberless Operation of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO) // Proc. IEEE Intern. Conf. Power Electronics and Drive Syst. 2002. Pp. 238—245.
15. Пат. 168443 РФ. Высоковольтное ключевое устройство / И.П. Воронин, П.А. Воронин, С.Ю. Кузин // Бюл. изобрет. 2017. № 4.
16. Бономорский О.И., Кюрегян А.С., Горбатюк А.В., Иванов Б.В. Сравнительный анализ статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и тиристоров с полевым управлением // Электротехника. 2015. № 2. С. 51—56.
---
Для цитирования: Воронин П.А., Воронин И.П., Духнич Е.М. Особенности выключения мощного составного транзистора при работе на индуктивную нагрузку // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 94—100. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-94-100.
#
1. Voronin P.A., Voronin I.P., Panfilov D.I., Dukh- nich E.M. Optimizatsiya Staticheskikh i Dinamicheskikh Parametrov Moshchnogo Sostavnogo Klyucha s Polevym Upravleniem. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2016; 4:91—102. (in Russian).
2. Bormotov A., Grishanin A., Martynenko V., Muskatin'ev V., Chibirkin V. Sovremennye Silovye Poluprovodnikovye Pribory dlya Energoeffektivnykh Tekhnologiy. Elektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes. 2010;4:36—44. (in Russian).
3. Rozanov Yu.K., Voronin P.A., Ryvkin S.E., Chap- lygin E.E. Spravochnik po Silovoy Elektronike. M.: Izdat. Dom MEI, 2014. (in Russian).
4. Pat. 2268545 RF. Poluprovodnikovoe Klyuchevoe Ustroystvo. O.I. Bonomorskiy, P.A. Voronin. Byul. Izobret.2006;2. (in Russian).
5. Pat. 4945266 US. Composite Semiconductor Device.
6. Pat. 19610135 DE. Electronische Einrichtung, Insbesondere zum Schalten Elektrischer Ströme, für Hohe Sperrspannungen und Mit Geringen Durschlaßverlusten.
7. Bonomorskiy O.I., Voronin P.A, Shchepkin N.P. Bystrodeystvuyushchiy Kaskodnyy Klyuch s Polevym Upravleniem. Silovaya Elektronika. 2005;1:42—44. (in Russian).
8. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Experimental and
Numerical Study of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). IEEE Trans. Power Electronics. 2000:561—574.
9. Bakowski M., Gustafsson U. The Two Basic Failure Modes in GTO Modeling and Experiment. Proc. Power Semiconductor Devices and ICs. 2002:354—368.
10. Huang A.Q., Li Y., Motto K., Xu A.Z., Lee F.C. High Power Snubberless Switching with the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). Proc. Power Electronics Conf. 1998:269—279.
11. Novikov P. Zashchita Silovogo Tranzistora. Ch. 1. Perenapryazhenie. Silovaya Elektronika. 2012;4:10—12. (in Russian).
12. Kyuregyan A.S. Podporogovye Kharakteristiki Tranzistorov i Tiristorov s Elektrostaticheskim Upravleniem. Ch. II. Glubokiy Planarnyy Zatvor. Fizika i Tekh- nika Poluprovodnikov. 1998;32;4:l497—503. (in Russian).
13. Li X., Huang A.Q., Li Y. Analytical GTO Turn-off Model under Snubbberless Turn-off Condition. Microelectronics J. 2003;34:297—304.
14. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Analysis of the Snubberless Operation of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). Proc. IEEE Intern. Conf. Power Electronics and Drive Syst. 2002:238—245.
15. Pat. 168443 RF. Vysokovol'tnoe Klyuchevoe Ustroystvo. I.P. Voronin, P.A. Voronin, S.Yu. Kuzin. Byul. Izobret. 2017;4. (in Russian).
16. Bonomorskiy O.I., Kyuregyan A.S., Gorbatyuk A.V., Ivanov B.V. Sravnitel'nyy Analiz Staticheskikh Kharakteristik Bipolyarnykh Tranzistorov s Izolirovannym Zatvorom i Tiristorov s Polevym upravleniem. Elektrotekhnika. 2015;2:51—56. (in Russian).
---
For citation: Voronin P.A., Voronin I.P., Dukhnich E.M. The Turn-off Features of a Composite Power Transistor Operating on an Inductive Load. Bulletin of MPEI. 2019;2:94—100. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-94-100.
