Emitter-Switched Bipolar

ffi
t*llc(tor
V111
t
lusl
Bild 1. Schaltplansymbol und
Ersatzschaltung eines ESBT
Neua
rt ig e
Le
I
Vclrr
Bild 3. Ersatzschaltung des ESBT
im abgeschalteten Zustand
Bild 2. Ersatzschaltung des
eingeschalteten ESBT
ist u n g s h a lb le ite r
itte r-Switched
Bipolar-Transistoren
F-p
Simone Buonomo, Marco D'Antonio, Giovanni Vitale,
STMicroelectronics
,*qFlL
-,,,
.r,rl
Seit einiger Zeit wird unter der Bezeichnung ESBT (Emitter-Switched
Bi polar-Tra nsistor) eine neue Leistungsha I bleiter-Fam i I ie auf dem
Markt angeboten, die eine sinnvolle und kosteneffektive Alternative
für all jene Anwendungen darstellt, die nach hoher Spannungsfestigkeit und hohen Schaltfrequenzen verlangen. Bei einem ESBT handelt
es sich um eine Kaskoden-Schaltung aus einem HochspannungsBipolar-Transistor und einem für niedrige Spannungen ausgelegten
Leistungs-MOSFET mit geringem On-Widerstand. Kurze Einschalt'iten und ein geringer Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand
sind als wichtigste Vorteile dieser Lösung anzuführen.
'erglichen mit konventionelien Schaltern stellt die ESBT:Serie mit diesen
Merkmalen die ideale Wahl für alle
Resonanz- und Quasi-Resonanzwandler-Applikationen dar. Der vorliegende Artikel beginnt mit einer Einftihrung in die Charakteristika der Emitter-Switching-Topologie und
geht danach kurz auf die Technologie fiir das
Design einer Single-Chip-Lösrurg ein. Es werden ferner weitere Details zur Ansteuermethode der Emitter-Switching-Konfi gr.rration
analysiert, um die Merknale eines effizienteren Basis-Bias-Netzwerks herauszuarbeiten,
welches die Einschränkungen der bereits in
der Literatur beschriebenen herkömmlichen
Methode vermeidet. Den Abschluss bildet die
Beschreibung erfolgreicher Tests von ESBG
Wie aus dem Schaltq.'rnbol hervorgeht, verlangt eine solche Struktur nach zwei Spannungsquellen. Die erste sorgt daftir, dass die
Basis des Leistungs-Bipolar-tansistors mit
Konzept des ESBT
dem nötigen Strom beaufschlagt wird, während die zweite das Gate des Leistungs-MOSFET ansteuert. In der Praxis wird der Leis-
Ein Emitter-Switched Bipolar-Tiansistor be-
tungs-Bipolar-tansistor mit einer Konstant-
steht aus einem Hochspanmrngs-Bipolar-Tian-
spannungsquelle nvischen Basis und Masse angesteuert, während das Ansteuersignal für das
sistor, der mit einem Niederspannungs-Leistungs-MOSFET zu einer Kaskodenschaltung
verbunden ist (Bild 1). Bekannt ist diese Konfiguration bdreits seit den 198OerJahren. Dass
sie heute so ilteressant ist, liegt an der Verftigbarkeit von Bipolar-Ti'ansistoren, die in einer Kaskodenschaltung einen quadratischen
RBSOA aufiveisen, sowie von Niederspannungs-Leistungs-MOSFEG mit sehr geringem Rp51.,;, die sich im eingeschalteten Ztstand beinahe wie ein idealer Schalter verhalten.
Hinsichdich des elektrischen Verhaltens gibt
es bei dieser Konfiguration keine lJnterschie-
Gate des Leistungs-MOSFET direk von einem P\ÄM-Controller geliefert wird.
Zum Einschalten muss lediglich derleistungsMOSFET eingeschaltetwerden. Da der Spannungsabfall am Leistungs-MOSFET gegenV6p1.",; des Leistungs-Bipolar-Tiansistors,vernachlässigbar ist, ist in erster Näherung die in Bild 2 gezeigte Vereinfachung zulässig, sich den Leistungs-Bipolartransistor als
direkt mit der Masse verbunden vorzustellen.
über der
in
de avischen monolithischen und diskreten
Lö-
Die Ansteuerschalrung fiir die Basis Liefert den
nötigen Strom, um den Leistungs-Bipolar-
Wandlertyp in Induktionsherden.
sungen. Die nachfolgenden Betrachtungen
gelten deshalb ftir beide Varianten.
einem Zero-Yoltage Quasi-ResonanzWandler (ZVQR), dem meistverwendeten
30 Elekrronik lnformqtionen
os-200s
Tiansistor in die Sättigng zu treiben. Die Ver-
526.4F*s
Bild 4. Ouerschnitt durch
die ESBT-Struktur
luste in diesem Zustand setzen sich somit haupt-
säctrlich aus dem von V6u,,",, abhdngigen Verlust und dem Verlust im Eingang des Bipo-
lartransistors z.us:rmmen,
\rtrd
im eingeschalteten Zustand plötzlich der
.stungs-MOSFET abgeschaltet, so geht der
Drainstrom augenblicklich auf Null zurück,
sodass derAusgangsstrom (Bild 3) über die Basis des Bipolartransistors zur Masse fließt.
_
Der negative Basisstrom ist gleich dem Kollekorstrom und fühn zu einer Abschaltzeit,
die erheblich ktirzer als bei traditionellen bipolaren Leistungstransistoren und bereits auf
Bild 6. Abschaltverhalten bei geringer
Last und konstanter Basisspannung
Bild 5. Prinzipschaltung des
Ouasi-Resonanzwand lers
integriert ist, hängt die benötigte Chipfläche ausschließ1ich von der Größe des bipolaren Sperrschichttransistors ab. Wie in Bild
Einsatz des ESBT in einem
ZVOR-Wandler
4 zu erkennen ist, wtrden zwei vergrabene
Schichten ftiLr die Emitter- und die Basis-Region verwendet. Der Ernitter des BipolarTiansistors und die Drain des MOSFET sind
miteinander verbunden. Insofern ist die Verwendungvergrabener Schichten sogar zwingend notwendig, um dem Bipoiar-Tiansistor die gewünschte Stromtragfähigkeit und
Verstärkung zu verleihen und gleichzeitig
\4Äe bereits erwähnt, benötigt der
dafiir zu sorgen,
dass der
MOSFET die an-
gestrebte Durchbruchspannung besitzt.
MOSFETs liegt. Da sich der Emitter hier auf
Die Stmktur des Leistungs-MOSFET wird
anschließend auf einer Schicht mit höherem
gleitendem Potenzial befindet, lässt der hohe
negative Basisstrom die in der Basis gespeicherte Ladung rasch abfließen, was die Speicherzeit reduziert. Die Snrrltur ist somit praktisch fiei von dem Täil-Strom, der bei allen
bipolaren Leistungstransistoren aufrritt.
spezifischen Widerstand oberhalb der stark
dotierten Emitter-Region Q{-BL) angeordnet. Schließlich platziert man den Basiskontak auf einer diffundierten Schicht, die ausreichend tiefisg um die vergrabene Basisschicht
(P-BL) zu erreichen.
Hinzu kommt,
Flerworzuheben ist die Tätsache, dass sich unter dem Basiskontak eine P-Well-Region be-
dem Niveau von Hochspannungs-Leistungs-
dass diese
Konfigrrration zu
einem zusätzlichen Sicherheitsspielraum be-
.lich des RBSOA (Reverse Bias Safe Opeldrrng Area, d. h. sicherer Arbeitsbereich in
Sperrrichtung) fiihrt, da eine erheblich größere Robustheit gegenüber dem sekundären
Durchbruch besteht. Durch den unbeschalteten Emitter tritt das Phänomen der Strom-
konzentration unter dem Emitterfinger mit
dem daraus resultierenden Risiko lokaler
Ürberhitzungen praktisch nicht auf.
ESBT-H
a
lbleiterstru ktu ren
Die geschilderte Kaskoden-Konfiguration ldsst
sich als Hybrid-Baustein aus zwei separaten
Chips oder als monolithische Single-Chip-Lösung mit 4 oder 5 Pins implementieren. Die
monolithische Ausfiihrung kombiniert einen
findet, die in Verbindung mit dem integrierten Leistungs-MOSFET einen lateralen
parasitären IGBT ergibt. Dieser ist normaierweise eingeschaitet, weil die Basis des Leistungs-Bipolar-flansistors stets an einer konstanten Spannung liegen muss. Da die Stromtrag*ihigkeit des ESBT hierdurch normaler-
Resonanzwandler die Ansteuerung der Bamit einer Konstantspanmmgsquelle in Frage. Die Spannung Vr, die mit Hilfe des Elkos
Cs konstant gehalten wird, ist so zu wählen,
dass die Ansteuerschaltung für den ma-.rima1en Strom optimiert wird, auch wenn dies die
Konsequenz hat, dass es mit abnehmendem
Suom zu einer wachsenden Übersättigung des
Bausteins mit der Folge längerer Speicherzeiten kommt. Als unerwünschter Nebeneffekt
dieser Ürbersättigrmg ist beim Abschalten ein
langer Täil-Strom zu beobachten (Bild 6), der
zu erheblichen Verlusten frihrt.
sis
Effektiver ist die Verwendung einer Ansteuermethode, bei der Basisspannungund -strom
des ESBT abhängig vom jeweiligen Kollektorstrom variiert werden. Bild 7 zeigt, wie mit
Hilfe eines Stromübertragers an der Basis des
ESBT eine proportionale Basisansteuerung
erreichtwird. Ns weitererVorteil kommt hinzu, dass der Designer keine Konstantspannürg
in Bild 4 gezeigte Struktur durch einen Sin-
mehr bereitstellen muss und der Stromüber-
ker ergänzt, der das nötige Dotierungsniveau,
trager einen Iu-Strom liefert, der den gleichen
Verlauf wie der Kollekorstrom hat.
die richtigen Abmessungen und den erforderlichen Abstand zum Leistungs-MOSFET
aufiveist.
Da die Leistungs-MOSFET:Struktur
Eine weitere Verbesserung iässt sich erreichen,
unter
den Eminerfingem verteilt angeordnet isg sind
MOSFET Bild 4 zeigt den Querschnitt durch
eine solche Zelle.
in Sperrrichtung (FBSOA und RBSOA) auf
Da der Leistungs-MOSFEThier in die Emit-
und ist in dieser Hinsicht einer diskret implementierten Emitter-Switching-Lösung deutlich überlegen.
ter-Region des Leistungs-Bipolartransistors
Wie Bild 5 zeigt, kommt für einen Quasi-
weise stark beeinträchtigt würde, hat man die
lokale Stromkonzentrationen mit den daraus
resultierenden Hot-Spots ausgeschlossen. Der
monolitlische Baustein weist folglich einen
sehr großen Arbeitsbereich in Durchlass- und
verrikalen NPN-Leisrungstransistor mit einem standardmäßigen Niederspannungs-
ESBT zwei
Spannungsquellen zum Ansteuern von Basis und Gate. Für die Basis reicht prinzipiell
eine Konstantspannungsquelle aus, obwohl
diese an ihre Grenzen stoßen kann, wenn
sich der Strom rasch ändert und/oder hohe
Schaltfrequenzen verlangt werden.
wenn ftir Cu kein Elko, sondern ein Kondensator geringer Kapazität verwendet wird. Die
Spanmrng Ve ist in der ersten Phase des Einschalworgangs höher als Vs', was für die erlorderliche Suornspitze sorgt. Üher den Kapazitätbwert können die Höhe des Ma-xima1stroms und die Dauer der ersten Stromspitze
beeinflusst werden. Je geringer der Kapazitätswert, umso kürzer ist die Stromspize und
umso höher ist Vs (ediglich begrenzt durch
die Zenerspanmrng).
Elekrronik lnformotionen os-uoos
3i
Bild 7. Proportionale
Bild 8. Statischer Zustand
Bild 9. Abschalten bei geringer Last
Basisansteuerung
bei hoher Belastung
mit proportionaler Basisansteuerung
Ein kleiner Basiswiderstand R* reicht
aus,
um den Basisstrom sowohl während des Einschaltens als auch im eingeschalteten Zustand zu kontrollieren. Die Z-Diode iegt exak
die Differenz zwischen Vo und \'*' fest und
sorgt dadurch - verknüpft mit der Basisstromspitze - ftir eine genaue Regelung des
Basisstroms. Bild I zeigt die Oszillogramme
zu diesem Lösungsvorschlag.
Die vorgeschlagene Schaltung erlaubt
das
Erzielen einbs optin-rierten Basisstroms in der
Peak-Zone, ohne das Abschalwerhalten zu
beeinträchtigen. Der durch passende Dimensionierrrng von C3 erzielte starke Basisstrom-Lnpuls am Beginn des Einschalwor-
wirkt der dynamischen Sättigung
somit in der Möglichkeit, den Strom Is, der
sich auf den gesamten On-Zustand auswirkt,
unabhängig von der zum Erzielen der gewünschten Spannungpspitzen erforderlichen
Spannung Vs festzulegen.
bei ma-ximalem Betriebsstrom festgelegt.
Die Schaltung enthäit ferner eine EnergieRückgewinnungsfunktion, mit der die zum
Ansteuern der Basis erforderliche Leistung
minimiert wird. Der kleinere Kondensator
speichert die gesamte Ladung, die während
der Speicherzeit aus der Basis abfließt, und
ftihrt sie der Basis beim nächsten Einschalten wieder zu.
Sobald der Stromübertrager spezifiziert ist.
müssen die Werte fiir Cs und Ru bestimmt
werden. Wie schon angesprochen, wird das
Einschaltverhalten des ESBT von der an-
In einer realen Ansteuerschaltung kann Vg
To*1 = 3RnCn
rend des eingeschalteten Zustands fur den
richtigen Basisstrom sorgt. Der eigendiche
so gewählt werden, dass Ip""r. = Icp";. ist (Bild
8), r'ährend Is den richdgen Sättigungsgrad
fiir den Betriebszustand bei maximaler Belasmg (d. h. mit dem größten herbeiftihrt.
Vorteil dieses Schaltungskonzepts besteht
Dieser Zustand ist in Bild 8 hervorgehoben
gangs
entgegen, während der Stromübertrager wäh-
I)
Simoni''Buon'smo :(L);
STL$i c r a eliCtian ie s
""':
:::,
Merco D,.lAntaiäio
i
I
STMicroiledroturi
G
32 Elekrronik lnformqtionen
Ei
"
fänglichen Höhe und der Dauer des Basisstroms bestimmt. Tu*r 1ässt sich näherungsweise wie folgt berechnen:
Für den Widerstand Rs wird ein Wen von 0,1
Q gewählt, um die zusätzliche Verlustleistung
in der Basis zu begrenzen und dafiir zu sorgen, dass Oszillationen des Stroms nach der
Stromspitze rasch abklingen. Da die minima\e On-Zert 15 ps ist, sollte \.-r kleiner als 8
ps sein. Sie wurde im vorliegenden Fall auf 5
ps festgeleg, sodass ftir C' 16,6 pF gewählt
wurden. Die Verbessemng des Kollekorstroms
während des Abschaltens ist in Bild t herv
gehoben. Es kommt zu keiner l,lbersättigl-5
des Bausteins und der Täil-Strom istverglichen
mit dem in Bild 6 gezeigten Verlauf nahezu
völlig verschwunden. (o)
r STMicroelectronics
o Kennziffer: 1 51
o Webcode: 051 51
ngabemaske u nter www.el-i nfo.de/webcodes
Kennziffer 41
05-2005
);
iovänhi,,Vitäle''[i.],.,:'
STfri{ic r 6 Elictr a ni t' i,:'
Webcode
dargestellt. Iu hat dabei den gleichen Verlauf
wie 16 (proportionale Ansteuer-ung), ist aber
um das Windungwerhäluris des tlbertragers
geringer. Das Windungsverhälnris wird unter
Berücksichtigung der Tiansistorverstärkung
/h*
I l Webcode
0541 8